Комплексная оптимизация параметров охлаждения судовых энергетических установок

УДК 621.43 О. К. Безюков,

д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;

В. А. Жуков,

канд. техн. наук, доцент, ГОУ ВПО «РГАТУ им. П. А. Соловьева»

КОМПЛЕКСНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАЖДЕНИЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

THE COMPLEX OPTIMIZATION OF PARAMETERS OF COOLING FOR SHIP

POWER PLANTS

В статье представлен комплексный подход к оптимизации охлаждения двигателей внутреннего сгорания в составе судовой энергетической установки, предложен критерий совершенства охлаждения, учитывающий экономические, ресурсные и экологические показатели работы двигателя.

In the article the complex method of optimization of cooling for internal combustion marine engine is considered. The criterion, which takes into account economical, resources and ecological indexes of engine is presented.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, охлаждение, оптимизация, топливная экономичность, надежность, экологическая безопасность.

Key words: internal combustion engine, cooling, optimization, fuel economy, reliability, ecological safety.

ПОВЫШЕНИЕ эффективности использования энергетических и материальных ресурсов — одна из важнейших задач, стоящих при проектировании и эксплуатации судов. Актуальность данной задачи подтверждается решением Комитета по защите морской среды Международной морской организации (1МО), который на 59-й сессии, проходившей с 13 по 17 июля 2009 г., признал необходимость разработки индекса эффективности использования энергии при проектировании новых судов с целью стимулирования инновации и технического развития всех элементов, влияющих на эффективное использование энергии на судне. В основе рекомендуемого индекса лежит безразмерный конверсионный фактор, учитывающий соотношение между потреблением судовой энергетической установкой (СЭУ) топлива и эмиссией диоксида углерода СО2 . Аналогичный подход предлагается использовать для комплексной оценки совершенства охлаждения СЭУ.

Технический уровень СЭУ и эффективность ее использования могут быть охаракте-

ризованы тремя основными эксплуатационными свойствами:

— экономичностью, включающей материалоемкость при производстве и расходы в процессе эксплуатации (главным образом на топливо и моторное масло);

— надежностью, уровень которой определяется затратами на текущее обслуживание, ремонт и устранение отказов;

— показателями экологической безопасности, такими как токсичность и дымность отработанных газов, шумность работы, виброактивность.

Приоритеты при проектировании и изготовлении дизелей, представляющих собой основу СЭУ, со временем меняются: в настоящее время наибольшее внимание уделяется повышению эффективности использования энергетических и материальных ресурсов, экологическим показателям двигателей.

Общепринятым в настоящее время является мнение, что удовлетворение экологических требований возможно лишь за счет уступок по топливной экономичности, а надеж-

Выпуск 1

ность двигателя может быть повышена только

за счет удорожания двигателя.

Наибольшее внимание при совершенствовании конструкции двигателей традиционно уделялось системам топливоподачи, возду-хоснабжения и смазки. Система охлаждения (СО) представляется объектом, ресурсы которого для обеспечения надежной, экономичной работы двигателя с удовлетворительными экологическими показателями практически не использованы.

Рабочий процесс двигателя представляет собой, с одной стороны, перемещение поршня по цилиндру, а с другой — непрерывное изменение состояния рабочего тела, характеризуемого температурой и давлением. Два этих одновременно протекающих процесса сопровождаются такими явлениями, как: вибрации цилиндровых втулок, кавитационно-коррозионные разрушения охлаждаемых поверхностей, накипеобразование на них, теплообмен между деталями двигателя и теплоносителем.

Очевидно, что предотвращение кавитационно-коррозионных разрушений и накипе-образования в системе охлаждения обеспечит повышение надежности и ресурса двигателя в целом, сокращение затрат на его эксплуатацию. Целенаправленное воздействие на процессы теплообмена в полостях охлаждения позволяет сократить тепловые потери с охлаждающей жидкостью и за счет этого повысить индикаторный КПД двигателя и улучшить его топливную экономичность. Дополнительное повышение эффективного КПД может быть достигнуто за счет снижения механических потерь, связанных с прокачиванием теплоносителя (охлаждающей жидкости) по замкнутым контурам систем охлаждения. Увеличение ресурса деталей ДВС, снижение расхода топлива в процессе эксплуатации подтверждают эффективность решений, направленных на ресурсо- и энергосбережение.

Повышение температурного уровня деталей цилиндропоршневой группы способствует сокращению периода задержки воспламенения, что положительно сказывается на экологических характеристиках двигателя.

Задача выбора структурной схемы системы охлаждения и определения параметров

охлаждения должна решаться с учетом всех перечисленных факторов, и в результате оптимальное охлаждение должно обеспечивать улучшение всех указанных выше эксплуатационных свойств.

Параметры, характеризующие работу СО, целесообразно разделить на три группы.

1. Конструктивные, характеризующие структурную схему СО.

2. Режимные: количество теплоты, отводимой через СО, бохл; температура охлаждающей жидкости на входе в двигатель Т, выходе из двигателя V, температурный перепад в рубашке охлаждения АТ, средняя скорость циркуляции охлаждающей жидкости Woхл, массовый расход жидкости ^охл, давление в системе охлаждения рохл.

3. Водно-химические: химический состав теплоносителя ^ водородный показатель охлаждающей жидкости рН, ее жесткость, кинематическая вязкость, теплоемкость, поверхностное натяжение.

Существенное влияние на тепловое состояние деталей цилиндропоршневой группы, экономические, экологические и ресурсные показатели комбинированного двигателя оказывают также параметры наддува, прежде всего температура и давление наддувочного воздуха. Эти параметры также необходимо учитывать при решении задачи оптимизации параметров охлаждения.

Перечисленные выше характеристики систем охлаждения и наддува ДВС следует рассматривать как факторы, оказывающие влияние на работу двигателя и ее показатели. Это свидетельствует о том, что задача оптимизации охлаждения является многофакторной и должна включать исследование влияния большого числа параметров охлаждения на эксплуатационные свойства ДВС.

Взаимосвязь конструктивных, режимных и водно-химических параметров охлаждения ДВС с процессами, сопровождающими его работу, и основными эксплуатационными свойствами, такими как надежность, топливная экономичность и экологичность, представлена на рис. 1.

Процессы, протекающие в цилиндре двигателя и образующие рабочий цикл, порождают сложные процессы теплообмена на

охлаждаемых поверхностях, которые сопровождаются накипеобразованием, вибрацией, кавитационно-эрозионными разрушениями. На интенсивность процессов и особенности их протекания определяющее влияние оказывают параметры системы охлаждения двигателя: конструктивные, режимные, водно-химические, которые целесообразно совершенствовать и оптимизировать.

Из рис. 1 видно, что совершенствование конструкции СО, оптимизация режимных параметров охлаждения а также физико-химических и теплофизических свойств теплоносителей системы охлаждения способны одновременно повысить надежность двигателя, улучшить его топливную экономичность, снизить токсичность отработанных газов.

Таким образом, от организации охлаждения зависит ряд показателей работы двигателя, и задача оптимизации охлаждения должна решаться как многопараметровая. Для решения поставленной задачи ее необходимо формализовать, при этом следует произвести раздельное рассмотрение различных групп параметров на эксплуатационные показатели ДВС.

В качестве основных или определяющих режимных параметров следует выбрать количество теплоты, отводимой через систему охлаждения (тепловой поток через охлаждаемые поверхности деталей), дохл, температуру охлаждающей жидкости на выходе из двигателя и перепад температур в рубашке охлаждения двигателя АТ. Выбор и оптимизация данных параметров должны осуществляться

Рабочий цикл ДВС

Рис. 1. Повышение эксплуатационных показателей судовых ДВС за счет совершенствования охлаждения

Выпуск 1

таким образом, чтобы обеспечивались наилучшие показатели надежности и экономичности двигателя при удовлетворении экологических нормативов и требований. Остальные режимные параметры можно рассматривать как производные от основных и представить их в виде функциональных зависимостей:

Р охл =/1(гохл);

С =Л(С;ДП

^охл =/з(9охл 'ЛТ;Ые);

К™ У4 (^ОХЛ Э ^ОХЛ ) .

В последнем уравнении присутствует теплоемкость охлаждающей жидкости, следовательно, режимные параметры охлаждения необходимо рассматривать в комплексе со свойствами теплоносителей, применяемых для охлаждения ДВС.

Основными водно-химическими параметрами охлаждения ДВС следует считать:

— с точки зрения обеспечения надежности: температура кристаллизации и кипения жидкости, водородный показатель рН, жесткость;

— с точки зрения обеспечения энергетической эффективности: теплоемкость, теплопроводность, кинематическая вязкость.

Процедура оптимизации охлаждения СЭУ как сложной технической системы состоит в последовательном прохождении ряда этапов.

т

Рис. 2. Принципиальная схема внутреннего контура системы охлаждения комбинированного ДВС: 1 — рубашка охлаждения 2 — охладитель теплоносителя внутреннего контура,

3 — охладитель наддувочного воздуха, 4 — охладитель масла, 5 — циркуляционный насос

Определение границ объекта оптимизации. Объектом оптимизации является наиболее распространенная и перспективная для форсированных судовых ДВС, оснащенных газотурбинным наддувом, жидкостная система с замкнутым внутренним контуром, который включает рубашку охлаждения ДВС, теплообменные аппараты, термостаты и циркуляционный насос (рис. 2).

Выбор управляемых переменных. Анализ литературных данных позволяет выделить параметры, значения которых особенно существенно влияют на показатели работы двигателя и в то же время могут быть изменены при настройках и регулировках СО: режимные параметры — температура охлаждающей жидкости, давление в системе, средняя скорость циркуляции теплоносителя, температура и давление наддувочного воздуха; водно-химические параметры — состав охлаждающей жидкости, ее физико-химические и теплофизические свойства. Поиск значений именно этих параметров, обеспечивающих наилучшие показатели работы двигателя, представляет содержание оптимизационной задачи.

Определение ограничений на управляемые переменные. При выборе граничных значений управляемых переменных в каждом конкретном случае необходимо учитывать физическую возможность обеспечения данных значений и их технико-экономическую целесообразность.

Температура охлаждающей жидкости на входе в рубашку охлаждения двигателя может изменяться в достаточно широком диапазоне. Литературные данные свидетельствуют, что с развитием двигателестроения и повышением уровня форсирования рекомендуемый температурный уровень охлаждающей жидкости неуклонно повышался. В 1960-е гг. температура воды на выходе из двигателя рекомендовалась 50...55 °С, позднее этот уровень поднялся до 60.65 °С,

а когда стали применять сернистые топлива. появились рекомендации повысить температуру охлаждающей жидкости до 70 . 75 °С. В современных двигателях рекомендуются температуры 75.85 °С и выше. В ряде исследований [1-4] показано, что повышение температуры обеспечивает повышение эффективной мощности, снижение удельного эффективного расхода топлива, уменьшение износа зеркала цилиндров, при этом для различных типов двигателей указываются разные значения температуры жидкости, обеспечивающей наилучшие показатели. В последние годы все большее внимание уделяется системам высокотемпературного охлаждения (ВТО) [5; 6, с. 1209-1215], позволяющим сократить потери теплоты с охлаждающей жидкостью.

В большинстве исследований температура охлаждающей жидкости в системах ВТО ограничивается значениями 120.130 °С, однако в работе [7] приводятся данные о повышении температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя до 150 °С, при этом локальные температуры жидкости достигали значений 195 °С.

Таким образом, для температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя целесообразно назначить диапазон изменения от 75 до 150 °С:

75 < Г' < 150 °С.

Давление в системе охлаждения связано с температурой жидкости на выходе из двигателя. При решении задачи оптимизации давление в системе охлаждения на основании литературных данных следует изменять в диапазоне от 0,1 до 0,5 МПа:

0,1 < p < 0,5 МПа.

7 1 охл 7

Максимальные значения давления соответствуют системам ВТО.

Перепад температуры теплоносителя в рубашке охлаждения АТ = Т" - Т определяет требуемый расход теплоносителя и влияет на величину термических напряжений в деталях. С увеличением АТ расход теплоносителя может быть уменьшен, что способствует энергосбережению, но термические напряжения возрастают, что приводит к снижению надежности двигателя и требует увеличения габари-

тов теплообменных аппаратов. Для существующих и перспективных двигателей диапазон изменения перепада температуры охлаждающей жидкости в рубашке охлаждения может быть выбран в диапазоне от 5 до 20 К:

5 < АТ < 20 К.

Температурный уровень системы охлаждения, в особенности для высокофорсированных двигателей, необходимо рассматривать в комплексе с параметрами наддувочного воздуха после охладителя (температурой ^ и давлением p).

Средняя скорость циркуляции влияет на температурные перепады в рубашке охлаждения и теплообменных аппаратах, а также на затраты мощности, необходимые для привода циркуляционного насоса.

Снижение средней скорости обеспечивает уменьшение температурного перепада, снижение термических напряжений и затрат мощности, однако при этом возрастает вероятность появления в рубашке охлаждения застойных зон с недопустимо низкими скоростями циркуляции, недостаточной интенсивностью теплоотвода от поверхностей деталей и их локального перегрева, который может привести к выходу двигателя из строя.

Исходя из этого диапазон изменения средней скорости циркуляции следует принять от 0,5 до 1,5 м/с, при этом местные скорости циркуляции в элементах и каналах системы охлаждения будут составлять от 0,2 до 3,0 м/с:

0,5 < м?охл < 1,5 м/с.

Обзор литературных источников, касающихся химического состава охлаждающих жидкостей, позволяет выделить два типа теплоносителей, получивших наибольшее распространение:

— специально подготовленная вода;

— низкозамерзающие жидкости на основе этиленгликоля.

Эксплуатационные свойства теплоносителей в обоих случаях обеспечиваются главным образом введением присадок химического типа в малых концентрациях. Присадки должны обеспечивать низкую коррозионную агрессивность охлаждающих жидкостей, пре-

Выпуск 1

дотвращать процессы накипеобразования и кавитации в полостях охлаждения, при этом их содержание в жидкости не должно превышать 3,0-5,0 % по массе.

Выбор критериев оптимизации.

Очевидно, что расход топлива, моторного масла и выбросы вредных веществ с отработанными газами (ОГ) определяются степенью совершенства дизелей, прежде всего качеством их рабочего процесса, применяемыми горюче-смазочными материалами (ГСМ), и должны оцениваться одним комплексным показателем.

О правомерности такого подхода свидетельствуют работы [8, с. 67-68; 9, с. 43-47], в которых показана взаимосвязь экономичности и выбросов вредных примесей с отработанными газами, а также только что завершенный международный научно-исследовательский проект Евросоюза и правительства Швеции “GERCULES” (High Efficiency R&D of Combu-tion with Ultra Low Emission for Ships), направленный на решение этой проблемы.

В работе [8] показано, что успешное проведение работ, направленных на повышение экономических и экологических показателей двигателей, в значительной мере зависит от правильного выбора соответствующих критериев. Именно поэтому оптимизация охлаждения требует введения специального критерия совершенства системы охлаждения.

В соответствии с выделенными группами параметров необходимо решить триединую задачу: оптимизировать режимные параметры, обеспечить наилучшие свойства теплоносителя и выбрать рациональную конструктивную схему системы охлаждения в соответствии с уровнем форсированности двигателя.

Применительно к судовым энергетическим установкам целью оптимизации режим* ных параметров является повышение эффек-

= тивности за счет минимизации тепловых по-

Л

00 терь при сохранении требуемой надежности

и соблюдении экологических нормативов. Поэтому комплексный критерий оптимизации охлаждения ДВС должен носить энергетический характер и отражать стремление снизить тепловые потери, затраты мощности на прокачивание теплоносителя, обеспечить по-

вышение надежности и уменьшение эмиссии токсичных веществ с отработанными газами ДВС.

В качестве критерия эффективности энергопотребления предлагается использовать безразмерный параметр

К = а  п ,

э 1 охл ох Д'

где аохл — удельная теплота, отводимая от установки через систему охлаждения, кДж/кВт; похл — удельные затраты мощности, затрачиваемой на теплоотвод, кВт/кДж.

Оптимизация режимных параметров должна обеспечивать снижение данного показателя без ущерба для надежности двигателя.

Повышение надежности обеспечивается совершенством свойств теплоносителя и должно оцениваться главным образом эффективностью ингибирования процессов, негативно влияющих на ресурсные показатели двигателя (кавитационная эрозия, накипеоб-разование).

Для количественной оценки качества теплоносителя системы охлаждения целесообразно использовать коэффициенты защиты охлаждаемых поверхностей от характерных разрушений:

у = / w ,

1 С О '

где wc — скорость разрушения металла при охлаждении теплоносителем с усовершенствованными свойствами; wo — скорость разрушения металла при охлаждении базовым теплоносителем.

Состав теплоносителя также оказывает существенное влияние на интенсивность теплообмена и гидравлические потери в контуре охлаждения, которые, в свою очередь, в значительной степени определяют энергетические показатели двигателя.

Обобщенный критерий совершенства системы охлаждения, учитывающий и энергетические, и ресурсные аспекты для энергетических установок, имеет вид

К = а п т

эр 1охл охл 1

Степень совершенства двигателя наряду с надежностью и экономичностью характеризуют параметры, отражающие содержание токсичных компонентов в отработанных газах (ОГ).

Примерные значения выбросов основ- ные к единице израсходованного топлива,

ных вредных веществ с ОГ дизелей, отнесен- приведены в табл. 1.

Таблица 1

Примерные значения удельных выбросов вредных веществ с ОГ дизелей на единицу израсходованного топлива, кг/кг [7]

Компонент ОГ Оксиды азота, » Оксид углерода, есо Углеводороды, есн Оксиды серы, ^ЗОх Твердые частицы, » еРМ

Удельный выброс вредных веществ, кг/кг топлива ~5 102 ~2,7-10-2 ~5 10-3 ~5 10-3 ~7 10-3

ОГ представляет собой гетерогенную смесь веществ с разнообразными физическими и химическими свойствами, все многообразие которых сводится к семи группам: 1) азот, кислород, диоксид углерода, водяной пар, водород; 2) оксид углерода; 3) оксиды азота; 4) оксиды серы; 5) углеводороды (прежде всего полициклические ароматические углеводороды, в первую очередь бенз(а)пирен); 6) альдегиды; 7) сажа и твердые частицы, адсорбирующие канцерогенные вещества.

Кроме первой группы веществ, составляющие остальных групп токсичны и вредно действуют на человека и окружающую среду, а диоксид углерода, хотя и входит в 1-ю группу, способствует возникновению так называемого «парникового эффекта» и изменению климата на Земле.

Кроме топлива, источником вредных веществ является моторное масло. Его легкие фракции обычно полностью окисляются в камере сгорания дизеля с образованием диоксида углерода СО2 и паров воды.

Высокомолекулярные углеводороды тяжелых фракций масла в условиях повышенных температур КС подвергаются пиролизу с образованием твердых частиц сажи, на которых адсорбируются канцерогенные полициклические ароматические углеводороды. Поэтому наиболее значимым продуктом сгорания моторного масла являются твердые частицы. Обычно количество твердых частиц, образующихся при сгорании моторного масла, составляет от 5 до 50 % от их общего количества [10].

Изменение теплового состояния деталей цилиндропоршневой группы в результате со-

вершенствования охлаждения изменяет условия смесеобразования, характер протекания рабочего цикла, динамику выгорания топлива, что отражается на составе отработанных газов. Поэтому комплексный критерий оптимизации охлаждения должен включать показатель е, характеризующий зависимость содержания в отработанных газах токсичных соединений и твердых частиц от параметров охлаждения.

Целью оптимизации является минимизация данного критерия с соблюдением накладываемых на него ограничений:

= К • є = К • у • є = а • п • у • є ^ тіп.

К эр э • 1 охл охл •

Для решения поставленной задачи необходимо раскрыть показатели, входящие в критерий совершенства.

Удельная теплота, отводимая от установки через систему охлаждения:

а = Q /N;

-*охл -^охл е

уде ьные затраты мощности на обеспечение теплоотвода:

п = N Ю ,

охл охл охл

где Ne — эффективная мощность энергетической установки, или мощность, использованная на совершение технологических процессов, кВт; N — мощность, затрачиваемая на привод насоса системы охлаждения, кВт; Qoхл — количество теплоты, отводимой через систему охлаждения, кДж.

Критерий совершенства для энергетических установок будет иметь вид

К

э N. .

<5л

Выпуск 1

Мощность, требуемая для привода циркуляционного насоса системы охлаждения, определяется выражением

N = СжАР

1 т ОХЛ ?

РжЛн

где Gж—массовый расход охлаждающей жидкости, кг/с; Ар — потери давления в контуре охлаждения, Па; рж — плотность жидкости, кг/м3, Пн — коэффициент полезного действия насоса, учитывающий гидравлические и механические потери.

Эффективная мощность двигателя внутреннего сгорания, представляющего наиболее распространенный вид энергетических установок, может быть определена равенством

Не =Ст-Яи-ті, 'Пмех,

где Gт — массовый расход топлива, кг/с; Ни — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; п — индикаторный КПД двигателя; Пмех — механический КПД двигателя.

С учетом приведенных равенств критерий энергетической эффективности можно записать в виде

^ <?, 4р 1 .

Э От-Ни р ЛгЛмех’Л»

Массовый расход жидкости Gж может быть найден из уравнения

бохл = Ср • • (Тж - Т’жХ

бохл _ брхл

с =

Ср<Тж-Тж) ср  ДГж

Количество теплоты, отводимой через систему охлаждения, определяется из теплового баланса двигателя

бохл Яахл бт Яохл ^"и’

где аохл — доля теплоты, отводимой охлаждающей жидкостью; Qт — количество теплоты, с1к выделяющейся при сгорании топлива.

| Следовательно массовый расход тепло-

носителя будет определяться равенством

Осял___^охл ' <^т * Яц

В

Є =-

Ср АТ’ж

Ср • АТЖ

Используя последние выражения, показатель энергетической эффективности можно представить в виде

Кэ =

1

а

^и-Ср-дт;

Ар______________________

Введя в последнее равенство выражение удельного эффективного расхода топлива £е, кг/(кВтч),

3600

£е ~ „ :

Яи-ЛгЛ„и показатель Кэ можно записать в виде

Я0ы-н.-ё'_

Р

К

3600 -ср • АГЖ

Лн

Комплексный показатель совершенства, учитывающий надежность системы охлаждения, имеет вид

_ ga.--g.-g.

К

эр

Ар _1_

3600 с .дг,' р Vу'

Одним из способов повышения теплогидравлической эффективности систем охлаждения является совершенствование свойств теплоносителей (охлаждающих жидкостей).

Для того чтобы использовать предлагаемый критерий для оценки значимости влияния свойств теплоносителя на показатель совершенства системы, целесообразно сгруппировать входящие в него величины таким образом, чтобы выделить независящие от состава охлаждающей жидкости.

К таким величинам можно отнести низшую теплоту сгорания топлива Н КПД насоса пн, перепад температуры жидкости в двигателе АТ , а также теплоемкость с и плотность

ж р

р жидкости, которые практически не изменяются при введении в жидкость присадок в малых концентрациях:

^30 =

эр

я.

3600-с -р-АГж *т|н

•^охл'^-Ар-у.

Обозначив

Н

= А,

3600-ср-р-АГж-лн

выражение критерия совершенства системы охлаждения, учитывающего экономические и ресурсные показатели, принимает вид

Кэр = А-Яом-8е-АР-У.

При выборе показателя е, характеризующего совершенство охлаждения с экологи-

ческой точки зрения, необходимо учитывать, что к настоящему времени практически завершена работа по унификации российских и международных стандартов, устанавливающих требования к показателям вредных выбросов судовых, тепловозных и промышленных дизелей.

Чаще всего в соответствии с ГОСТ Р 51249-99 [11] и международными стандартами используется следующая номенклатура характеристик вредных выбросов дизелей:

—состав газообразных выбросов С., %; —скорость выделения выбросов Е кг/ч; —удельный выброс е кг/кВт-ч;

— выброс вредного компонента на 1 кг топлива є, кг/кг.

Причем в последнем показателе выбросы вредных компонентов, прежде всего твердых веществ, целесообразно отнести к суммарному расходу топлива и масла:

т+м

b,- , кг/(кг + кг ).

* ’ V т му

Для судовых дизелей Приложением VI к МК МАРПОЛ-73/78 о загрязнении воздуха с судов № 10.16-1/1007 в качестве нормы установлен удельный средневзвешенный предельно допустимый выброс (СПДВ), измеряемый в г/кВт-ч.

В табл. 2 приведены СПДВ, устанавливаемые Правилами ССКЯ для речных судов и введенные с 1 июля 2007 г. [12,

c. 50-56]:

Таблица 2

Мощность Ne, кВт Частота вращения пн, об/мин СО НС Шх РМ

г/кВт-ч

18-37 — 5,5 1,5 8,0 0,8

37-75 — 5,0 1,3 7,0 0,4

75-130 — 5,0 1,0 6,0 0,3

130-560 3,5 1,0 6,0 0,2

>560 <343 3,5 1,0 11,0 0,2

343-3150 3,5 1,0 п 5 4 0,2

>3150 3,5 1,0 6,0 0,2

При использовании дифференциального метода значения единичных показателей качества (в данном случае экологическая эффективность) сопоставляются с предельно допустимыми значениями нормируемых токсичных компонентов:

- е‘

где е — средневзвешенный удельный выброс /-го компонента с отработанными газами;

е; — предельное значение средневзвешенного удельного выброса /-го компонента ОГ;

п — число токсичных компонентов, учитываемых при анализе.

Для того чтобы учесть неравнозначное влияние отдельных сомножителей на комплексный показатель совершенства охлаждения, целесообразно ввести весовые коэффи-

циенты и представить комплексный критерий совершенства охлаждения в виде

^к=Л-?охл-&-4р-уа-£А,

показатели степени рекомендуется принимать из диапазонов а = 0,4...0,5; Ь = 0,6...0,7.

В расчетах, выполненных для дизеля 8 ЧН 14/14, оснащенного системой газотурбинного наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха, комплексный показатель совершенства охлаждения Кк, учитывающий экономические, ресурсные и экологические показатели, составляет 1,2.

Совершенствование режимных параметров и перевод двигателя на высокотемпературное охлаждение за счет уменьшения сомножителя К снижает значение комплекс-

э

ного показателя до значений 0,9.

Совершенствование свойств охлаждающей жидкости путем введения многофунк-

Выпуск 1

циональных присадок обеспечивает дополнительное снижение сомножителя К за счет

э

сокращения тепловых потерь и снижения гидродинамического сопротивления контура охлаждения, а также существенное уменьшение сомножителя уа, характеризующего ресурсные показатели. В результате комплексный критерий совершенства снижается до значений 0,67. 0,7.

Максимальный эффект может быть достигнут за счет одновременного совершенствования свойств теплоносителей, выбора наилучших параметров наддувочного возду-

ха и конструктивных модернизаций систем охлаждения, направленных на создание изолированных систем высокотемпературного охлаждения с переменным давлением охлаждающей жидкости.

Таким образом, проведенные исследования показали, что предложенный критерий совершенства охлаждения может быть использован для оценки комплексной эффективности мероприятий по модернизации системы охлаждения, оптимизации режимов ее работы и совершенствования свойств теплоносителя.

Список литературы

1. Безюков О. К. Охлаждающие жидкости транспортных ДВС / О. К. Безюков, В. А. Жуков. — СПб.: Изд-во СПГУВК, 2009. — 263 с.

2. ЛуковН. М. Автоматическое регулирование температуры двигателей / Н. М. Луков. — М.: Машиностроение, 1995. — 271 с.

3. Левин М. И. Оптимальный температурный режим в системах охлаждения и требования к автоматическому регулированию температуры / М. И. Левин // Сб. тр. ЦНИДИ. — М.; Л.: Машгиз, 1984. — № 26.

4. Стародомский М. В. Оптимизация температурного состояния дизельных двигателей / М. В. Стародомский, Е. А. Максимов. — Киев: Наук. думка, 1987. — 168 с.

5. Петриченко Р. М. Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей внутреннего сгорания / Р. М. Петриченко. — Л.: Машиностроение, 1975. — 224 с.

6. PangH. H. Review of Engine Cooling Technologies for Modern Engines / H. H. Pang, C. J. Brace; Department of Mechanical Engineering, University of Bath, UK // IMechE. — 2004. — Vol. 218. — Pt. D.

7. The influence of coolant temperature on the performance of a four cylinder 1100 cc engine employing a dual circuit cooling / I. C. Finlay [et. al.]. — 1988. — SAE. — Paper 880263.

8. Кузнецов А. Г. Анализ критериев экономичности и токсичности работы транспортных двигателей / А. Г. Кузнецов // Двигателестроение. — 1996. — № 2.

9. Ложкин В. Н. Комплексное совершенствование рабочих процессов дизелей для улучшения экономических и экологических характеристик / В. Н. Ложкин, Р. Н. Сафиуллин, М. А. Шнайдер // Двигателестроение. — 2006. — № 3.

10. Марков В. А. Токсичность отработавших газов дизелей / В. А. Марков, Р. М. Баширов, И. И. Габитов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. — 160 с.

11. ГОСТ Р 51249-99. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения. — М.: ИПК Изд-во стандартов,

39 1999. — 10 с.

12. Мельник Г. В. Нормирование выбросов двигателей внедорожного применения: точка зрения двигателестроителей / Г. В. Мельник // Двигателестроение. — 2008. — № 2.