Улучшение эксплуатационных характеристик судовых дизелей путем термоизоляции элементов рабочего цилиндра

УДК 621.436:539.3

П. А. Дорохов

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ ТЕРМОИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ РАБОЧЕГО ЦИЛИНДРА

В ряду направлений по повышению энергетической и экономической эффективности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) заметное место занимает адиабатизация рабочего процесса. Проблемой адиабатизации во второй трети ХХ в. занимались многие отечественные и зарубежные исследователи [1-3 и др.]. Большая часть отечественных исследований была проведена на базе судовых дизелей типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11. Указанные исследования касались различных показателей работы дизелей: энергетической эффективности; топливной экономичности; механического КПД; пусковых характеристик; составляющих теплового баланса. Все они, в тот период, констатировали, что применение высоких степеней термоизоляции (СТИ) рабочего цилиндра не увеличивало полезно используемую энергию топлива, а, наоборот, сокращало её на 4-5 %, за исключением случаев использования принудительного наддува с промежуточным охлаждением воздуха. При этом указывалось на возможность уменьшения потерь теплоты в охлаждение более чем в 4 раза. При этом следует учитывать, что исследования по адиабатизации проводились на дизелях с отработанной конструкцией, доведённых до оптимума по показателям рабочего процесса, при тех материалах и для тех условий эксплуатации, для которых эти машины создавались. В разработках современных и перспективных энергетических установок (ЭУ) на базе дизельных двигателей утвердились новые концепции, в ряду которых значительное место занимает концепция турбокомпаундирования как наземных, так и судовых ЭУ [4]. И в рамках этой концепции, как один из путей её реализации, стоит проблема полной или частичной адиабатизации рабочего процесса.

Для исследований проблемы полного или частичного ограничения теплоотвода от рабочего тела и элементов рабочего цилиндра в охлаждающую среду наиболее удобными являются двигатели с небольшим объёмом рабочего цилиндра, такие как судовые малоразмерные дизели Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11. Этот выбор обосновывается следующими факторами: подобные работы на дизелях этого типа уже проводились, и, следовательно, есть база для сравнения; в ряду типоразмеров имеются двигатели со специфическими условиями эксплуатации - двигатели 4ЧСП 9,5/11 («Каспий-40») для средств коллективного спасения экипажей морских судов; ведётся разработка перспективного двигателя 4ЧН 9,5/11, возможная адиабатизация которого (полная или частичная) может быть основой создания на его базе турбокомпаундной ЭУ.

В качестве примера рассмотрим задачу термоизоляции огневого днища головки цилиндров (ГЦ) шлюпочного дизеля 4ЧСП 9,5/11. Двигатель данного типа функционирует в неоптимальных условиях организации рабочего процесса в цилиндре. Это связано с его конструкционными особенностями, обусловленными требованиями Международной конвенции по спасению человеческой жизни на море - СОЛАС, в частности с одноконтурной разомкнутой системой охлаждения при использовании в качестве теплоносителя забортной морской воды. Поскольку температура выходящей из дизеля воды не должна превышать 55 °С (для предотвращения выпадения солей в систему охлаждения), рабочий процесс проходит в условиях так называемого «холодного цилиндра», а это предопределяет не только повышенный расход топлива и малый ресурс, что в об-щем-то не слишком важно для шлюпочного дизеля, но и худшие пусковые свойства двигателя (из-за больших потерь теплоты в холодные стенки цилиндра при сжатии воздуха в период пуска), а это уже фактор, прямо влияющий на успех реализации спасательной операции.

Следовательно, в данном случае ставится задача приведения внутрицилиндровых процессов, протекающих в «холодном» двигателе, к условиям протекания этих же процессов (по температурам стенок элементов цилиндра, рабочего тела, масла) в цилиндрах «горячих» дизелей, каковыми являются главные и вспомогательные дизели этого же типоразмера, но с двухконтурной, водоводяной системой охлаждения, при температуре выходящей из дизеля воды 75-80 °С. При этом должны сохраняться требования по сохранению в дизеле одноконтурной, разомкнутой системы охлаждения, с температурой выходящей воды не более 55 °С.

В лабораторных условиях были проведены теплобалансовые испытания дизеля 4ЧСП 9,5/11 с камерой сгорания в поршне (Ые ном = 30 кВт, пном = 1 800 мин1) на режимах винтовой характеристики при температуре выходящей из дизеля воды 76 и 51 °С. Одновременно, путём термометрирования, было произведено измерение температуры по огневому днищу ГЦ. По данным теплобалансовых испытаний и термометрирования, количество теплоты, прошедшей через огневое днище ГЦ «горячего» двигателя, составило Qmр = 3 112 кДж/ч. Количество теплоты, прошедшей через огневое днище ГЦ «холодного» двигателя, - Qхол = 3 240 кДж/ч.

По В. А. Ваншейдту [5], условные температурные напряжения, возникающие в огневом днище ГЦ, будут, МПа,

О = аЕЦ5/2

где X - среднее значение коэффициента теплопроводности чугуна - 0,168 Вт/(м • ч • град); а - среднее значение коэффициента линейного расширения, 12/106 на 1 °С; ц - коэффициент Пуассона, 0,25; 5 - средняя толщина стенки днища, 0,019 м; Е - модуль упругости, 1,13/105 МПа; ц - среднее значение количества теплоты, проходящей через днище, Вт/ч. Допускаемые напряжения, МПа, согласно [6], определятся по формуле

[осж] Ов сж Єв / кс [п]

где ов сж = 1 000 МПа; єв = 1,0; кс = 1,0, п = 3 (согласно [6]). Тогда [осж] = 333 МПа. По аналогии с [5], термические напряжения составляют ~ 1/3 от механических, т. е. [о] = 111 МПа. Отсюда допускаемый перепад значений температуры по толщине днища ГЦ составит АТ = 121 °С. Площадь тепловоспринимающей поверхности огневого днища Е = 0,00474 м2. Плотность тепловых потоков составит соответственно: цгор = 182 206 Вт/м2, цхол = 189 662 Вт/м2.

Тогда температурный напор по толщине огневого днища будет: АТгор = цгор 5/Х, град и АТХол = Цхол 5/Х, град. Отсюда АТгор = 74,4 °, АТХол = 77,5 °.

Средние значения температуры огневых днищ ГЦ «холодного» и «горячего» дизелей, °С, рационально определять, с учётом радиуса расположения термопар, по формуле

сР 1/п ,тах^ {Т^ ),

Тср 1/п г тах

і=1

где п - количество термопар по огневому днищу; Ті = показания термопар; гтах = радиус расположения наиболее удалённой от центра термопары. После подстановки данных в формулу (3) средние значения температуры огневых поверхностей ГЦ «горячего» и «холодного» дизелей будут: Т\ гор = 192 °С, Т2 хол = 171 °С. Тогда значения температуры днищ ГЦ со стороны охлаждения будут: Т2 гор = Т гор - АТгор; Т2 хол = Т1 хол - АТхол, или Т2 гор = 117,6 °С, Т2 хол = 93,5 °С. Сформу-

лируем теперь выражения для средней температуры тепловоспринимающей поверхности ГЦ «горячего» и «холодного» дизеля:

Т1 гор Т2 гор + АТгор Т2 гор + ц гор Ягор,

Т1 хол Т2 хол + АТхол Т2 хол + цхол Я хол.

Здесь Я - термическое сопротивление днища.

Таким образом, целью термоизоляции днища является повышение значения температуры Т\ хол до уровня Т\ гор, т. е. Т\ хол = Т\ гор, при сохранении значений температуры днища ГЦ «холодного» двигателя со стороны охлаждения на прежнем уровне. Приравнивая правые части уравнений (4) и (5), получим

Т2 гор + ц гор Ягор Т2 хол + ц хол Яхол.

Из уравнения (6) найдём такое значение Яхол, м2 • град/Вт, которое будет удовлетворять тождеству

Яхол Ягор

Здесь Ягор = 5/Хчуг = 4(10-4), м2 • °С/Вт - термическое сопротивление теплопередаче днища ГЦ «горячего» дизеля. Тогда Яхол = 5,14 (10-4) м2 • °С/Вт. Рассмотрим схему возможной термоизоляции огневого днища ГЦ, представленную на рис. 1.

п

1 ю

х\ч\ч\х\ч\ч\ч\ч\х\х\ч\ч\х\х\ч\ч\ч\х\х\ч\

♦ ////////////// т

/ / / / / / / / / / / / / / Ю

///////////////

Рис. 1

В толщине днища ГЦ расположен термоизолирующий экран, например титановый (ВТ1-1, X = 19,5 Вт/(м • °С), при 200 °С). Коэффициенты линейного расширения а: титана -8,6 (10-6) 1/град; чугуна - 12 (10-6) 1/град. Значения 81 = 4 мм, 82 = 1 мм, 83 = 14 мм. Тогда термическое сопротивление термоизолированной стенки будет: Ят-и = 4,8 (104), т. е. полученный результат несколько ниже требуемого значения 5,14 (10-4). Требуемое значение можно получить за счёт увеличения толщины титанового экрана, используя уравнение

§2 > (Яхол — 5/ХчУг)/(1/Хтит — 1/Хчуг), §2 = 1,7 (10 3) м.

Примем новое значение 82, тогда 83 примет значение 13,3 мм. Отсюда новое значение Ят-и будет равно 5,4 (10-4) м2 °С/Вт. Таким образом, можно рассчитать параметры термоизоляции и добиться таких значений температуры на поверхностях деталей со стороны газа, которые будут наилучшими для реализации рабочего процесса конкретного двигателя. Очевидно, что тер-моизолировать необходимо не только днище ГЦ, но и другие детали, образующие объём рабочего цилиндра. Так, по цилиндровой втулке можно принять техническое решение, предложенное в [7, 8]. По поршню также могут быть предложены известные или оригинальные технические решения. В результате в цилиндре «холодного» двигателя может быть реализован рабочий процесс, соответствующий ПО СВОИМ показателям (£е, Г\т, 7?, Тпуска) «горячему» двигателю. Это даст возможность повысить не только надёжность реализации спасательной операции в части пуска двигателя СКС, но и дальность плавания или увеличить количество запасов. В качестве технического решения по термоизоляции огневого днища ГЦ была принята конструкция, описанная в [9]. Конструкция ГЦ содержит в днище (посередине его высоты) термоизолирующий экран в виде плоского диска с отверстиями под клапаны и опорными лапами, которыми экран опирается на дно литейной формы перед её сборкой и заливкой чугуном. Материал экрана -титан марки ВТ1-1. Толщина экрана - 1 мм. Эскизы конструкции головки цилиндров и экрана приведены на рис. 2, где 1 - чугунный корпус ГЦ; 2 - титановая вставка (термоизолирующий экран); 3 - стойка вставки; 4 - опорная лапка, на которую вставка опирается при её установке в форму ГЦ перед её заливкой чугуном.

4^ 1=1 Ти

Рис. 2

Ориентировочные средние значения коэффициентов теплоотдачи к воде у «горячего», «холодного» и термоизолированного «холодного» дизелей будут следующими:

Охол = <?хол/(?2 хол - Тж хол), (при Тж Х(Ш = 51 °С) о^л = 4 683 Вт/(м2  °С);

агор = qгор/(Т2 гор - Тж гор), агор = 4 085 Вт/(м2  °С).

Для термоизолированного «холодного» дизеля необходимо знать температуру поверхности охлаждения, что может быть определено из уравнения

qгор = (Т1 гор - Т2 т-и)/ ЭД-, Вт/м2. Отсюда Т2 т-и = Т1 гор - qгор ЭД-, 0C или Т2 т-и = 93,6 °С.

Тогда ат-и = qГoP/(Т2 т-и - Тж хол), ат-и = 4 487 Вт/(м2  °С). Таким образом, условия теплообмена на поверхности охлаждения практически не изменились.

Предложенная конструкция ГЦ была изготовлена с термоизолирующим экраном из титана ВТ1-1. В лаборатории тепловых двигателей кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» Астраханского государственного технического университета были проведены теплобалансовые испытания дизеля с ГЦ, имеющей термоизолированное огневое днище. Результаты испытаний показали хорошую сходимость показателей «холодного» дизеля с термоизолированным огневым днищем по сравнению с «горячим» серийным судовым дизелем. Следует отметить, что степень термоизоляции может быть, при необходимости, значительно увеличена путём нанесения на титановый экран термоизоляционных составов высокого уровня - Al2O3, ZrO2, Al2TiO5.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Огородников В. Б., Бордуков В. В., Тивлюк Г. Е. Анализ тепловыделения в камере сгорания двигателя с ограниченным теплоотводом // Двигатели внутреннего сгорания. - Сер. 4. - Вып. 9. - М.: ЦНИИТ ЭИтяжмаш, 1987. - 5 с.

2. Ceramics for diesel engine efficiensi // Far Eastern Technical Review. - 1987. - Mai. - P. 14.

3. Греков Л. В., Иващенко Н. А., Петрухин Н. В. Особенности протекания рабочих процессов в дизелях с уменьшенным отводом теплоты // Двигателестроение. - 1989. - № 8. - С. 3-5.

4. Михайлов Л. И. На пути к созданию адиабатного двигателя // Двигателестроение. - 1982. - № 5. - С. 78-83.

5. Ваншейдт В. А. Конструирование и расчёты прочности судовых дизелей. - Л.: Судостроение, 1969. - 639 с.

6. Беляев В. Н., Борович Л. С., Досчатов В. В. Краткий справочник машиностроителя. - М.: Машиностроение, 1966. - 797 с.

7. Пат. РФ на изобретение № 2079685. Цилиндровая втулка с термоизоляционным покрытием / Дорохов А. Ф., Абачараев И. М., Абачараев М. М.; опубл. 20.05.1997, Бюл. № 14.

8. Пат. РФ на полезную модель № 94632. Цилиндровая втулка с термоизоляционным покрытием / Дорохов А. Ф., Шахов В. В.; опубл. 27.05.2010, Бюл. № 15.

9. А. с. СССР на изобретение № 1638341. Головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания / Дорохов А. Ф., Хазов И. А., Аливердиев А. А.; опубл. 30.03.1991, Бюл. № 12.

Статья поступила в редакцию 1.03.2011

ENHANCEMENT OF OPERATIONAL PROPERTIES OF SHIP DIESEL ENGINES BY MEANS OF THERMAL INSULATION OF COMPONENTS OF THE WORKING CYLINDER

P. A. Dorokhov

An example of the task solution improving operational properties of ship diesel engines by means of thermal insulation of components of the working cylinder, and in particular the cylinder sleeve, is considered in the paper. The methodology for calculating the parameters of thermal insulation and an example of specific technical solutions are shown.

Key words: ship diesel engine, thermal insulation, thermal resistance, cylinder head, cylinder sleeve, heat balance tests, thermometering.