Разработка и исследование принципа комбинированного смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания

УДК 621.431.74

А. П. Исаев

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПА КОМБИНИРОВАННОГО СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

A. P. Isaev

DEVELOPMENT AND INVESTIGATION OF THE PRINCIPLE OF COMBINED MIXTURE FORMATION IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Разработан и запатентован способ работы двигателя, позволяющий осуществлять рабочий процесс со значениями коэффициента избытка воздуха, близкими к единице, за счёт предварительной организации хорошо подготовленной рабочей смеси на стадии внешнего смесеобразования. Разработана конструкция опытного двигателя, на базе которой разработана и смонтирована экспериментальная установка, позволяющая проводить комплексные экспериментальные исследования. Представлены результаты экспериментальных исследований.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, судовые дизели, рабочий процесс, комбинированное смесеобразование, метод индицирования, индикаторные диаграммы.

It is designed and patented an operation way of the engine, allowing to realize a working process with the values of the excess air ratio close to one. It works due to the preliminary organization of a well-prepared working mixture on the stage of external mixture formation. The design of a test engine is developed, and an experimental installation is designed and mounted on its base. It enables to conduct complex experimental studies. The results of these experimental investigations are presented.

Key words: internal combustion engine, marine diesels, working process, combined mixture formation, method of indication, display diagrams.

С каждым годом проблема экономии природных ресурсов (в частности, 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 двигателе-строителей искать пути решения данных задач.

С ростом объемов морских грузоперевозок ведущие мировые судостроительные компании удовлетворяют потребности мировой экономики строительством суперсухогрузов и супертанкеров. Требования к таким судам заставляют двигателестроителей мощностными и эконо-мичностными показателями производимых ими двигателей обеспечивать необходимые характеристики движения судна и выполнять требования безопасности плавания.

Но как быть с малотоннажным флотом, в частности с катерами, яхтами и служебноразъездным флотом? Ограниченность объема машинного отделения требует от главного двигателя обеспечения минимальных массогабаритных показателей при сохранении высоких мощно-стных показателей двигателя и маневренных качеств судна. Ведущие зарубежные производители судовых малоразмерных дизелей (СМД), такие как Yanmar, Volvo Penta, Detroit Diesel, Caterpillar, достигли в своих моделях дизелей оптимальных технико-экономических показателей, т. е. для максимальной удельной мощности при заданном рабочем объеме цилиндра двигатель имеет наилучшую топливную экономичность и экологическую безопасность.

Качество протекающего в цилиндре двигателя рабочего процесса определяет его экономичность, энергетическую эффективность и экологическую безопасность. Для высокооборотных дизелей это положение играет существенную роль, поскольку времени, отведенного на смесеобразование, очень мало, а качество смесеобразования определяет эффективность протекающего рабочего процесса. В современных двигателях внутреннего сгорания (ДВС) применяются различные способы интенсификации смесеобразования с целью снизить период задержки самовоспламенения, который является основной по продолжительности фазой сгорания.

В этой связи поисковые работы по совершенствованию организации рабочего процесса ДВС должны быть направлены на увеличение степени использования химической энергии топлива и тепловой энергии рабочего тела с целью повышения энергетической эффективности, экономичности и снижения степени загрязнения окружающей среды опасными для неё элементами в отработавших продуктах сгорания.

Анализируя современное состояние двигателестроения, можно выделить несколько путей совершенствования конструктивно-технологических и рабочих характеристик двигателей [1]:

— поиск новых конструктивных решений, направленных на обеспечение надежности, минимизацию массогабаритных показателей и, как следствие, повышение удельной мощности по массе агрегата, обеспечение адаптивности двигателя для конкретной энергетической установки;

— конструктивная и технологическая разработка узлов и деталей двигателей для обеспечения оптимальных рабочих параметров;

— разработка оптимальных рабочих параметров систем, обслуживающих двигатель;

— применение новых сортов топлив и смазочных материалов, адаптивность базовых моделей двигателей для работы на топливах низкого качества (в частности, на мазутах различных марок);

— применение систем нейтрализации токсичных составляющих в отработавших газах.

Подавляющее большинство предлагаемых современных конструкций предполагает использование механизмов преобразования движения, отличных от классических кривошипношатунных механизмов (КШМ). Предлагаемые способы улучшения организации рабочего процесса требуют применения дорогостоящего синтетического топлива. Основная проблема малоразмерных высокооборотных двигателей в направлении улучшения технико-экономических и экологических показателей заключается в сложности обеспечения высококачественного смесеобразования. Это вызвано тем, что время, отведенное на смесеобразование, очень мало. В современных ДВС применяются различные способы интенсификации смесеобразования с целью уменьшить период задержки самовоспламенения, который является основной по продолжительности фазой сгорания.

Для достижения поставленной цели и создания ДВС с высокими техникоэкономическими показателями представляется рациональным модернизировать способ организации рабочего процесса с использованием принципа комбинированного смесеобразования, предложенный в [2]. Необходимо осуществить введение в цилиндр двигателя топлива также в начале такта сжатия, после закрытия впускного клапана, с воспламенением рабочей смеси от сжатия. Причем необходимо откорректировать процентное соотношение между количеством топлива, подаваемого на стадии внешнего смесеобразования и на основной стадии. Организация такого процесса позволит приблизительно на 10^20 % увеличить литровую мощность двигателя и работать при оптимальных, с точки зрения термодинамики и теории горения, значениях а.

Процесс наполнения цилиндра свежим зарядом состоит из трёх последовательно происходящих процессов - основной впуск, дозарядка и обратный выброс. С целью улучшения наполнения стремятся подобрать такие фазы газораспределения, при которых дозарядка цилиндра свежим зарядом за счёт инерционных явлений превышала бы обратный выброс при движении поршня от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ). Однако полностью исключить явление обратного выброса на всех режимах работы не удаётся. Для сведения к минимуму негативных последствий обратного выброса части смеси через открытый впускной клапан подачу топлива лучше осуществлять в начале хода сжатия, после закрытия впускного клапана. В этом случае угол опережения подачи 0т = 180° - 37° = 143° поворота коленчатого вала (ПКВ) до ВМТ (где 37° - значение угла закрытия впускного клапана после НМТ).

Тогда время, отводимое на смесеобразование, увеличивается в 6^6,5 раза по сравнению со временем смесеобразования в обычном дизеле и будет вполне достаточным для образования гомогенной топливовоздушной смеси.

Отправной точкой в исследованиях принципа комбинированного смесеобразования, где было предложено обоснование величины степени сжатия (е » 13), является работа [2]. Однако обеспечение такой степени сжатия и необходимость применения системы принудительного воспламенения требуют серьезного вмешательства в конструкцию базовой модели серийного двигателя, что ведет к ограниченности применения данной разработки.

Разработка принципа комбинированного смесеобразования в рамках данной работы осуществляется с целью совершенствования параметров работы двигателя без существенных конструктивных изменений базовой модели, таких как конструкции цилиндропоршневой группы (ЦПГ), КШМ и газораспределительного механизма, а также конструкции головки цилиндров. Штатные системы, обслуживающие двигатель, по возможности также должны оставаться без изменений.

Именно поэтому применение комбинированного смесеобразования предусматривается в двигателе с паспортной степенью сжатия е.

Базовым двигателем для создания опытного образца двигателя с комбинированным смесеобразованием является СМД типа Ч 9,5/11 со степенью сжатия е = 17. Для данного типоразмера двигателей относительно высокая степень сжатия необходима также для обеспечения удовлетворительных пусковых качеств двигателя и осуществления качественного смесеобразования в довольно ограниченном объеме камеры сжатия.

Кроме того, устранение еще одного сравнительного параметра (т. е. изменение степени сжатия) базовой модели и разрабатываемого двигателя позволяет более точно подходить к выявлению достоинств и недостатков предлагаемой технологии организации рабочего процесса.

В относительных единицах количество топлива, подаваемого в цилиндр, составляет:

£доп. ф = 0,198 (20 %),

£осн. ф = 0,802 (80 %),

где £доп. ф - подаваемая на стадии внешнего смесеобразования доля полной цикловой подачи топлива, соответствующей коэффициенту избытка воздуха а = 1,1; £осн. ф - подаваемая на стадии внутреннего смесеобразования доля полной цикловой подачи топлива, соответствующей коэффициенту избытка воздуха а = 1,1.

Учитывая тенденции к изменению формы индикаторной диаграммы при применении комбинированного смесеобразования [2], ожидается снижение максимального давления сгорания за счет уменьшения скорости нарастания давления при сгорании с одновременным ростом площади диаграммы вследствие увеличения продолжительности изобарного подвода теплоты в процессе сгорания.

Уменьшение скорости нарастания давления будет достигаться тем, что доля топлива, подаваемая основной форсункой, попадает в гомогенную, хорошо подготовленную к сгоранию топливовоздушную смесь, обогащая образовавшуюся смесь вновь впрыснутым топливом, которое, попадая в уже возникшие очаги воспламенения, активно испаряется, смешивается с избыточным воздухом и сгорает по мере поступления.

Снижение коэффициента избытка воздуха приведет к повышению удельной мощности двигателя, позволяя в том же рабочем объёме сжигать больше топлива.

В ходе теоретических исследований был проведен патентный поиск, который показал, что разрабатываемая технология организации рабочего процесса предложена впервые, и это позволило получить патент РФ на изобретение № 2388916 [3].

Для экспериментальной отработки принципа комбинированного смесеобразования и всесторонней оценки показателей опытного образца двигателя проводились комплексные экспериментальные исследования, включающие в себя снятие внешних энергетических показателей, теплобалансовых характеристик, экономичностных показателей, исследование внутрицилинд-ровых процессов, а также оценку степени экологической безопасности.

Для проведения экспериментальных исследований был создан опытный образец двигателя на базе судового дизеля 2Ч 9,5/11. Судовой дизель 2Ч 9,5/11 (Россия, завод «Дагдизель», г. Каспийск), является нереверсивным двухцилиндровым тронковым четырехтактным двигателем без наддува [4].

Проводились два цикла исследований: двигатели с вихрекамерным и объемно-пленочным смесеобразованием (камера сгорания в поршне типа ЦНИДИ). Это обусловлено тем, что завод «Дагдизель» производит двигатели Ч 9,5/11 с двумя типами камер сгорания. По окончании цикла исследований двигателя с вихрекамерным смесеобразованием для обеспечения другого вида внутреннего смесеобразования (камера сгорания в поршне) производится замена поршневой группы и головки цилиндров, а также форсунок. При этом сравнение всех четырех видов организации рабочего процесса (вихрекамерный дизель, дизель с камерой сгорания в поршне, дви-

гатель с комбинированным смесеобразованием с вихревой камерой сгорания, двигатель с комбинированным смесеобразованием с камерой сгорания в поршне) производится на одном двигателе, т. е. рабочие цилиндры и системы двигателя остаются неизменными в каждом цикле исследований. Это позволяет получить высокую точность сравнения.

Каждый цикл исследований включал в себя испытания двигателей по нагрузочной и винтовой характеристикам.

Для проведения экспериментальных исследований переоборудованы следующие системы двигателя: охлаждения, газовыпуска, топливная и впускная.

Для обеспечения комбинированного смесеобразования на базовом двигателе был смонтирован четырехплунжерный топливный насос высокого давления (ТНВД), используемый на двигателях 4Ч 8,5/11 и 4Ч 9,5/11. Для обеспечения возможности монтажа нового ТНВД была модернизирована конструкция кожуха маховика. Кроме того, была обеспечена возможность изменения угла опережения подачи топлива в более широком диапазоне, чем это предусмотрено конструкцией базового вихрекамерного двигателя.

Принципиальная схема топливной системы опытного образца двигателя, включающей в себя устройство для осуществления комбинированного смесеобразования, показана на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема топливной системы двигателя с комбинированным смесеобразованием и самовоспламенением

Дизельное топливо из расходной цистерны 1 самотеком через штихпробер 2 по трубопроводу низкого давления 3 подается к топливоподкачивающему насосу 7. При замере расхода топлива штихпробер отключается от расходной цистерны, и двигатель питается топливом только из штихпробера. Насос 7 подает топливо через фильтр тонкой очистки 4 к дополнительной 5 и основной 6 секциям ТНВД. Из основной секции ТНВД по трубопроводам высокого давления 13 топливо подается к основной форсунке 9, установленной на дизеле 8, из дополнительной секции - к дополнительной форсунке 12, установленной на смесительной камере 11. По отсечным трубопроводам 14 излишки топлива возвращаются в систему низкого давления.

Фазы опережения подачи топлива секциями ТНВД подобраны таким образом, что дополнительные секции подают топливо на дополнительную форсунку за 6° поворота КВ до начала открытия впускного клапана в соответствующем цилиндре. Угол опережения впрыскивания топлива основными секциями ТНВД составляет 17° ПКВ до ВМТ.

Экспериментальная лабораторная установка (рис. 2), предназначена для комплексных исследований показателей работы судового двигателя 2Ч 9,5/11, работающего по предлагаемому способу организации рабочего процесса - с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия, а также для проведения испытаний двигателя по нагрузочной и винтовой характеристикам.

Рис. 2. Экспериментальная лабораторная установка на базе дизеля 2Ч 9,5/11

Установка смонтирована в лаборатории тепловых двигателей кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» Астраханского государственного технического университета (АГТУ). Экспериментальная установка имеет в своем составе опытный образец двигателя 2Ч 9,5/11 с комбинированным смесеобразованием; генератор постоянного тока типа П-62-М; устройство для создания нагрузки двигателя с щитом управления; системы, обслуживающие дизель и генератор и контрольно-измерительные приборы [5]. При проведении испытаний и определении характеристик двигателя генератор типа П-62-М отдает электрическую энергию нагрузочному устройству, в котором применен стандартный электронагревательный элемент (ТЭН-400).

Индицирование цилиндров двигателей позволяет получить действительную индикаторную диаграмму двигателя. Получить наглядное изображение индикаторной диаграммы позволяют пневмоиндикаторы типа Майгак, МАИ-2, а также механический индикатор. Однако у пневмоиндикаторов существует ряд недостатков [6]. Кроме того, регистрация давления в цилиндрах двигателя при индицировании производится при помощи датчиков давления различных конструкций (ЦНИДИ, НАМИ, ЛУЬ, РСВ, К1зИег и др.).

Некоторые специализированные мощные системы контроля судовых ДВС (Ритм-дизель, АЛМАЗ, «ИВК ДВС» и аналоги зарубежного производства) при задании минимального количества исходных данных с использованием постпроцессинга теплотехнических испытаний выдают не только расчетные данные, характеризующие режим работы двигателя, но и рекомендации по устранению обнаруженных неисправностей. Современные системы диагностики и контроля судовых ДВС в плане использования на экспериментальных установках экономически невыгодны [6]. Входящие в их состав датчики динамического давления (ДДД) должны обладать чувствительным элементом, способным работать при высоких значениях температуры (до 2 300 К) и давления (до 18 МПа). Данным требованиям удовлетворяют не только зарубежные образцы ДДД, но и датчики отечественного производства, цена которых на порядок ниже. Примером таких датчиков могут служить ДДД производства компании ООО «ГлобалТест». В настоящее время модельный ряд ДДД ООО «ГлобалТест» включает в себя два типа пьезоэлектрических датчиков [7]. В датчиках первого типа - с зарядовым выходом Р801 - нет встроенного усилителя, поэтому для их подключения к измерительной аппаратуре нужен внешний усилитель заряда с входным сопротивлением не менее 1012 Ом. Датчики РБ01 не требуют системы водяного охлаждения, которую обычно применяют при высокотемпературных измерениях. Это делает их незаменимыми при проведении диагностических работ на ДВС. Однако использование датчиков в камерах сгорания при установке непосредственно в камеру или на индикаторные краны высокофорсированных дизелей требует специальных конструктивных решений: теплоизолятора, воздушного радиатора и гасителя пламени.

Для регистрации сигнала, вырабатываемого ДДД, используются различного типа осциллографы. В нашем случае был применен электронный двухканальный осциллограф PCSU1000 производства фирмы Velleman Instruments. Для возможности дальнейшей обработки полученных индикаторных диаграмм индицируемый двигатель должен быть оборудован отметчиком ВМТ. Визуализация сигналов с ДДД и отметчика ВМТ осуществляется посредством программного обеспечения, установленного на персональный компьютер (программа PCLab2000). Данная программа позволяет получить наглядное изображение развернутой индикаторной диаграммы двигателя.

В связи с этим была предложена и апробирована схема установки для индицирования СМД. Работоспособность данной схемы подтверждает серия экспериментальных исследований, проведенных в лаборатории тепловых двигателей кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» АГТУ [6].

Обработка полученных результатов производилась с целью определения статей теплового баланса, внешних энергетических, экономичностных показателей согласно методикам [8, 9].

В результате обработки полученных при проведении индицирования двигателей вольт-временных функций, регистрируемых при помощи ДДД и осциллографа PCSU1000, получены в табличной форме зависимости давления в цилиндре двигателя от угла ПКВ, по которым построены развернутые индикаторные диаграммы. Дальнейшая обработка индикаторных диаграмм с целью получения свернутых индикаторных диаграмм производилась с применением метода Брикса [9, 10], позволяющего установить связь между углом ПКВ и объемом цилиндра V (ходом поршня S). Расчет основных параметров работы двигателя производился на основе усредненных значений результатов измерений. Результаты экспериментальных исследований для двигателей с двумя типами внутреннего смесеобразования представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основные параметры работы двигателей

Параметр Вихревая камера сгорания А, % Камера сгорания в поршне А, %

Дизель Двигатель с комбинированным смесеобразованием Дизель Двигатель с комбинированным смесеобразованием

Эффективная мощность, Ые, кВт 10,50 11,6 10,5 10,48 11,56 10,3

Индикаторная мощность, N кВт 14,51 15,75 8,55 15,09 15,58 3,25

Мощность механических потерь, Ым, кВт 4,02 4,15 3,23 4,61 3,33 27,8

Среднее эффективное давление, ре, МПа 0,542 0,587 8,30 0,543 0,593 9,21

Среднее индикаторное давление, р,, МПа 0,749 0,797 6,41 0,782 0,799 2,17

Максимальное давление сгорания, р„ МПа 6,753 5,652 16,3 7,39 7,35 0,54

Давление в конце сжатия, рс, МПа 3,727 3,782 1,48 4,277 7,35 30,7

Удельный эффективный расход топлива, £е, кг/(кВт • ч) 0,240 0,233 2,92 0,222 0,219 1,35

Эффективный КПД, пе 0,358 0,369 3,07 0,388 0,393 1,29

Индикаторный КПД, П 0,496 0,501 1,00 0,558 0,506 5,20

Коэффициент избытка воздуха, а 1,47 1,45 1,36 1,89 1,66 12,2

Механический КПД, г|м 0,723 0,737 1,94 0,695 0,776 6,76

Примечание: 1) данные приведены для номинальных режимов работы двигателей; 2) относительные изменения параметров А определялись по отношению к показателям дизельных двигателей.

Согласно данным табл. 1, двигатель с комбинированным смесеобразованием развивает в среднем на 10 % большую мощность по сравнению с прототипом, что обусловлено лучшей организацией рабочего процесса. Поскольку рабочие объемы двигателей не изменялись, выигрыш в удельной мощности также составляет в среднем 10 %.

Средние эффективное и индикаторное давления увеличились: для двигателя с вихревой камерой сгорания - на 8,3 и 6,41 % соответственно; для двигателя с камерой сгорания в поршне -на 9,21 и 2,17 % соответственно. Однако изменение ре ир, должно быть пропорционально изменению N и N. Давления увеличились в меньшей степени, чем мощности. Это вызвано тем, что частоты вращения КВ при испытаниях двигателей несколько отличались между собой. Такое различие в частотах вращения непринципиально с точки зрения установленного режима, поскольку [11] допускает для высокооборотных судовых дизелей Ап в пределах ± 2 %, что для данного типа двигателей соответствует ± 30 об/мин. Однако любое изменение частоты враще-

ния приводит к изменению потерь в генераторе, как механических, так и электрических, а следовательно, к изменению эффективной мощности двигателя при работе на данном режиме. Так как средние эффективное и индикаторное давления прямо пропорциональны соответствующим им мощностям и обратно пропорциональны п, рост частоты вращения снижает относительное увеличение давлений. Различная степень увеличения индикаторных давлений по отношению к эффективным связана с тем, что в двигателе с камерой сгорания в поршне рост механического КПД более интенсивный в сравнении с двигателем с вихревой камерой сгорания.

Снижение максимального давления сгорания в двигателе с вихревой камерой сгорания вызвано уменьшением скорости нарастания давления (более мягкой работой двигателя).

В двигателе с камерой сгорания в поршне точки конца процесса сжатия и максимального давления сгорания совпадают, т. е. в данном рабочем цикле полностью исключена задержка самовоспламенения.

Удельный эффективный расход топлива двигателя с комбинированным смесеобразованием при вихревой камере сгорания уменьшился на 2,92 %, а при камере сгорания в поршне -на 1,35 %, что, в свою очередь, привело к увеличению эффективного и индикаторного КПД цикла. К их росту приводит также увеличение механического КПД, которое связано с тем, что часовой расход топлива на двигатель растет в меньшей степени по сравнению с ростом Ые.

Кроме того, отмечается снижение а, что является положительной тенденцией применения комбинированного смесеобразования.

Свернутые индикаторные диаграммы представлены на рис. 3 и 4. Для удобства анализа индикаторные диаграммы совмещены по типу камеры сгорания: рис. 3 - индикаторные диаграммы вихрекамерного дизеля и двигателя с комбинированным смесеобразованием с вихревой камерой сгорания; рис. 4 - индикаторные диаграммы дизеля и двигателя с комбинированным смесеобразованием с камерой сгорания в поршне типа ЦНИДИ.

Двигатели с вихревой камерой сгорания. Индикаторная диаграмма дизеля имеет форму, характерную для современных высокооборотных дизелей (рис. 3).

Форма полученной индикаторной диаграммы двигателя с комбинированным смесеобразованием подтверждает позитивные изменения.

При сравнении форм политроп сжатия видно, что в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием произошло изменение среднего показателя политропы по отношению к дизельному циклу. Это происходит в связи с тем, что в цилиндре двигателя с комбинированным смесеобразованием сжимается не воздушный заряд, а обедненная топливовоздушная смесь, которая имеет теплоемкость, отличающуюся от теплоемкости воздушного заряда.

Давление в конце процесса сжатия у двигателей практически одинаково.

Процесс сгорания в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием имеет два ярко выраженных участка:

— участок c-z1 - смешанный подвод теплоты, характерный для цикла Тринклера - Сабатэ;

— участок zi-z2 - изобарный подвод теплоты, характерный для цикла Дизеля.

Это вызвано тем, что применение комбинированного смесеобразования позволило уменьшить период задержки самовоспламенения, и, как следствие, это привело к уменьшению скорости нарастания давления на этапе смешанного подвода теплоты и, следовательно, к снижению максимального давления сгорания. Кроме того, это приводит к увеличению длительности участка процесса сгорания, на котором происходит сгорание топлива по мере его поступления (р = const).

Форма политропы расширения цикла двигателя с комбинированным смесеобразованием позволяет предположить, что показатель политропы на первой половине процесса расширения не изменился в сравнении с дизельным циклом, т. к. политропы расширения на этом участке практически параллельны друг другу. Увеличение показателя политропы на второй половине процесса расширения в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием более заметно, чем в дизельном цикле. Это является следствием того, что политропа расширения в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием смещена в сторону НМТ относительно политропы расширения в цикле дизеля. Таким образом, в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием наблюдается более интенсивная теплоотдача в охлаждающую жидкость в связи с большей поверхностью охлаждения, что и приводит к росту показателя политропы расширения [9, 12]. В связи с ростом показателя политропы уменьшается наклон линии расширения на данном участке, поэтому значения давления в конце процесса расширения практически одинаковы.

Двигатели с камерой сгорания в поршне. Индикаторная диаграмма дизеля имеет форму, характерную для высокооборотных дизелей с камерой сгорания в поршне (рис. 4).

При сравнении форм политроп сжатия видно, что в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием произошло изменение среднего показателя политропы по отношению к дизельному циклу, более выраженное, чем в вихрекамерной модели двигателя. Это вызвано тем, что двигатель с камерой сгорания в поршне имеет меньшую относительную площадь охлаждения камеры сгорания по сравнению с вихревой камерой, следствием чего является увеличение среднего показателя политропы сжатия [9, 12].

Кроме того, в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием отсутствует задержка самовоспламенения и точка c1 совпадает с точкой z1. Таким образом, можно предположить, что сжатие рабочей смеси происходит до момента впрыска топлива основной форсункой.

р, кг/см2

80-

Рис. 4. Свернутые индикаторные диаграммы двигателей с камерой сгорания в поршне

С момента впрыска топлива до точки ^ происходит подвод теплоты при уменьшающемся объеме цилиндра. Вероятно, это связано с большим углом опережения подачи топлива. Однако определение влияния угла опережения подачи топлива на характеристики сгорания в двигателе с комбинированным смесеобразованием является предметом отдельного исследования.

Форма политропы расширения цикла двигателя с комбинированным смесеобразованием позволяет предположить, что показатель политропы на первой трети процесса расширения не изменился в сравнении с дизельным циклом, т. к. политропы расширения на этом участке практически параллельны друг другу. Увеличение показателя политропы на второй трети процесса расширения в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием более заметно, чем в дизельном цикле. Политропа расширения в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием смещена в сторону НМТ относительно политропы расширения в цикле дизеля. При этом средний для этого участка индикаторной диаграммы показатель политропы в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием больше, чем в цикле дизельного двигателя. Значения давления в конце процесса расширения практически одинаковы.

Для оценки погрешности метода индицирования произведено сравнение результатов обработки свернутых индикаторных диаграмм и результатов проведения циклов экспериментальных исследований. Были получены значения индикаторной мощности N дизеля и двигателя с комбинированным смесеобразованием. В табл. 2 приведены значения N полученные при обработке экспериментальных данных и индикаторных диаграмм.

Таблица 2

Значения N кВт, полученные при обработке экспериментальных данных и индикаторных диаграмм

Тип двигателя Дизель Двигатель с комбинированным смесеобразованием

Тип камеры сгорания Эксперимент Метод индицирования А, % Эксперимент Метод индицирования А, %

Вихревая камера сгорания 14,51 14,33 1,24 15,75 15,53 1,40

Камера в поршне 15,09 15,21 0,8 15,58 14,90 4,36

Как видно из табл. 2, расхождение результатов, полученных разработанным методом индицирования, и результатов, полученных при обработке экспериментальных данных, не превышает 5 %.

Большинство предлагаемых современных конструкций предполагает использование механизмов преобразования движения, отличных от классических КШМ, а предлагаемые способы улучшения организации рабочего процесса требуют применения дорогостоящего синтетического топлива. Основная проблема малоразмерных высокооборотных двигателей в направлении улучшения технико-экономических и экологических показателей заключается в сложности обеспечения высококачественного смесеобразования.

Предложенный способ работы двигателя позволяет осуществлять рабочий процесс со значениями коэффициента избытка воздуха, близкими к единице, за счёт предварительной организации хорошо подготовленной рабочей смеси на стадии внешнего смесеобразования, что дает возможность улучшить массогабаритные показатели двигателя и снизить максимальные значения давления и температуры рабочего цикла, чем будет обеспечено повышение надёжности и работоспособности двигателя. Данный способ и устройство для осуществления комбинированного смесеобразования запатентованы.

Разработана конструкция опытного двигателя, позволяющая реализовать принцип комбинированного смесеобразования. На базе предложенной конструкции опытного двигателя разработана и смонтирована экспериментальная установка, позволяющая проводить комплексные экспериментальные исследования.

Впервые предложен метод индицирования СМД. Для данного метода разработана схема системы для индицирования СМД, подобрано оборудование отечественного производства. Предложенная схема реализована в составе экспериментальной установки. Представлены результаты экспериментальных исследований, а также методика их обработки.

В результате комплексных экспериментальных исследований выявлены следующие достоинства метода:

— двигатель с комбинированным смесеобразованием имеет большую удельную мощность (~ 10 %) в сравнении с дизельным двигателем;

— отмечается снижение коэффициента избытка воздуха, что привело к повышению удельной мощности и являлось одной из целей применения комбинированного смесеобразования;

— в двигателе с комбинированным смесеобразованием с вихревой камерой сгорания заметно сократился период задержки самовоспламенения;

— в двигателе с комбинированным смесеобразованием с камерой сгорания в поршне период задержки самовоспламенения полностью отсутствует;

— в двигателях с комбинированным смесеобразованием наблюдается снижение удельного эффективного расхода топлива;

— изменение формы политроп сжатия и расширения в двигателях с комбинированным смесеобразованием привело к увеличению полезной площади индикаторных диаграмм, что, в свою очередь, обусловливает рост индикаторной работы цикла;

— в двигателе с комбинированным смесеобразованием с камерой сгорания в поршне отсутствует точка конца процесса сжатия и подвод теплоты осуществляется с момента впрыска топлива.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Исаев А. П., Климова Е. В., Колосов К. К. Направления повышения технического уровня судовых энергетических установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2009. - № 1. - С. 199-202.

2. Каргин С. А. Теоретическое обоснование и экспериментальное исследование рабочего процесса судового ДВС с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением: дис. ... канд. техн. наук. - Астрахань, 2006. - 162 с.

3. Способ работы двигателя внутреннего сгорания; устройство для осуществления комбинированного смесеобразования: пат. РФ на изобретение № 2388916 / Дорохов А. Ф., Исаев А. П., Колосов К. К., Малютин Е. А. - 2010.

4. Дизели Ч 8,5/11, Ч 9,5/11. Руководство по эксплуатации 2452018 РЭ на рус. и англ. яз. -М.: Внешторгиздат. Изд. № 8026эс. - 273 с.

5. Покусаев М. Н. Судовое главное энергетическое оборудование. Методические указания к лабораторной работе «Испытание дизеля 4Ч 8,5/11 (5Д4) по нагрузочной характеристике» для студентов специальности 140200 - Проектирование и монтаж судовых энергетических установок. - Астрахань: АТИРПиХ, 1989. - 20 с.

6. Каргин С. А., Исаев А. П. Метод индицирования малоразмерных дизелей // Материалы Между-нар. науч.-практ. конф. «Прогресс транспортных средств и систем», 13-15 октября 2009 г., г. Волгоград. Ч. 1 / Волгоград. гос. техн. ун-т. - Волгоград: Изд-во ВолГТУ, 2009. - С. 261-262.

7. Кирпиче в А., Симчук А., Тищенко Ю. Датчики динамического давления: продукция компании «ГлобалТест» // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2008. - № 1. - С. 88-91.

8. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей: учеб. для втузов / Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др.: под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. -М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.

9. Дизели. Справочник / под ред. В. А. Ваншейдта. - М.: Машиностроение, 1973. - 432 с.

10. Ваншейдт В. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. - Л.: Судостроение, 1977. - 391 с.

11. Руководство по теплотехническому контролю серийных теплоходов. - М.: Транспорт, 1979. - 424 с.

12. Теория двигателей внутреннего сгорания / под ред. проф., д. т. н. Н. Х. Дьяченко. - Л.: Машиностроение, 1974. - 552 с.

Статья поступила в редакцию 11.07.2011

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Исаев Александр Павлович - Астраханский государственный технический университет; ведущий инженер кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; тел.: 8 (8512) 614-166.

Isaev Alexander Pavlovich - Astrakhan State Technical University; Leading Engineer of the Department "Shipbuilding and Energetic Complexes of Sea Technological Equipment"; tel. 8 (8512) 614-166.