Анализ структуры теплового баланса современных дизелей

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И МАШИННО-ДВИЖИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

УДК 62-144.3

А. А. Будин

АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА СОВРЕМЕННЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Анализ теплового баланса модернизируемых дизелей как способ оценки эффективности модернизации представляет особый интерес. В настоящее время существует необходимость решения задач, связанных с анализом теплового баланса и оценкой эффективности модернизации судового дизеля 4 ЧН9,5/11, впервые форсированного по среднему эффективному давлению путём газотурбинного наддува. Ввиду значительных трудностей, возникающих в процессе расчетной оценки тепловых потерь по отдельным составляющим, тепловой баланс чаще определяют экспериментальным путем на установившихся режимах работы по характеристикам, соответствующим условиям эксплуатации двигателя (нагрузочной, винтовой и др.). Оптимизация теплового баланса (улучшение теплоиспользования в дизеле) возможна следующими способами: уменьшение дополнительных потерь теплоты, вызванных несовершенством современных процессов смесеобразования и сгорания; разумное снижение потерь теплоты в системе охлаждения двигателя; разумное снижение потерь теплоты в окружающую среду в составе отработавших газов. Выполнены аналитические исследования структуры и распределения располагаемой теплоты по статьям баланса, позволившие определить наиболее вероятные направления модернизации дизелей, к которым относятся: частичная адиабатизация рабочего процесса; снижение потерь мощности, необходимой для преодоления сил трения; организация качественного смесеобразования; форсирование двигателя и др. С учётом информации о новой машине ЭДП45 производства ОАО «Завод «Да-гдизель», испытания, проведённые и предстоящие, по низкому, среднему и высокому форсированию двигателя 4 Ч9,5/11 в модификации 4 ЧН9,5/11 позволят с необходимой и достаточной точностью определить уровень форсирования и составляющие теплового баланса для качественной и количественной оценки эффективности модернизации.

Ключевые слова: тепловой баланс, внешний и внутренний, структура баланса, тепловые потери, эффективный КПД, смесеобразование, камеры сгорания, форсирование.

Введение

В судовых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) в эффективную работу преобразуются 38-54 % теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Остаток составляют тепловые потери. Часть теплоты уносится в окружающую среду с отработавшими газами, еще часть передается в систему охлаждения (воду и масло) непосредственно через элементы двигателя (детали ци-линдропоршневой группы (ЦПГ), клапаны, газовыпускные патрубки, охлаждаемые детали турбокомпрессора и т. д.), некоторая доля теплоты путем сложных преобразований (например, путем преобразования теплоты в механическую работу трения в узлах двигателя с ее обратным переходом в тепловую) также поступает в систему охлаждения. Определенное количество теплоты возвращается в цикл с воздухом, подаваемым от турбокомпрессора. Для определения тепловых потерь используют уравнения теплового или энергетического балансов, которые позволяют судить о степени совершенства двигателя, являются исходными при проектировании систем охлаждения и смазки и помогают определить пути наиболее рациональной утилизации тепловых потерь. Анализ теплового баланса модернизируемых дизелей как способ оценки эффективности модернизации представляет особый интерес. В частности, в настоящее время существует необходимость решения задач, связанных с анализом теплового баланса и оценкой эффективности модернизации судового дизеля 4 ЧН9,5/11, впервые форсированного по среднему эффективному давлению путём газотурбинного наддува [1].

Составляющие тепловых балансов

Внешний тепловой баланс представляет собой определенное опытным или расчётным путем распределение теплоты, вводимой в двигатель с топливом, на полезно используемую теплоту и отдельные виды потерь:

бт = бе + бохл + бм + бг + бн.б,

где бт - располагаемая теплота; бе - количество теплоты, эквивалентное совершенной полезной работе; боХл - количество теплоты, передаваемое охлаждающей жидкости; бм - количество теплоты, передаваемой смазочному маслу; бг - теплота, отведенная за пределы рабочего цилиндра с отработавшими газами; бн.б - количество теплоты, характеризующее невязку теплового баланса.

В [2] было рассмотрено распределение теплоты по элементам рабочего цилиндра поршневого ДВС. Некоторые из результатов используются в настоящей статье.

На рисунке приведена предполагаемая схема распределения теплоты, внесенной в цилиндр с топливом, по статьям энергетического баланса.

Схема распределения теплоты, внесенной в цилиндр, по статьям энергетического баланса

На рисунке приняты следующие обозначения: бь - теплота, отведенная с охлаждающей водой от ЦВ; бнс - теплота, потерянная в результате неполного сгорания топлива; бгц - теплота, переданная через огневое днище головки цилиндра (ГЦ); бг - теплота, отведенная за пределы рабочего цилиндра с отработавшими газами; брасс - теплота, рассеянная остовом дизеля; бит -теплота, отведённая в охлаждение от газов; бм>е - остаточная теплота, отведённая от втулки.

Внутренний тепловой баланс складывается из следующих составляющих: бг - теплота, использованная для совершения индикаторной работы; бвт - теплота, переданная через стенку цилиндровой втулки (ЦВ); бвн.п - теплота, эквивалентная работе внутренних потерь двигателя; Qвт.г - теплота, переданная через стенку втулки от газов; Qвт.тp - теплота, эквивалентная работе сил трения в ЦПГ

бе бг бвн; бвт бвт.г + бвт.тр; бЬ б£вт брасс бпо.

Некоторые из этих составляющих соотносятся между собой следующим образом:

бт = бе + б^вт + бгц + бг + бнс ± бн.б. ,

где б&т - суммарное количество теплоты, переданное воде через стенку ЦВ.

Это соотношение представляет собой структуру внутреннего теплового баланса дизеля. Внешний энергетический баланс определяется выражением

бт = бе + б* + б'г + бнс + брасс + бн.б.

где бм> - общее количество теплоты, отведенное с водой; б'г - внутренняя теплота, отведенная с отработавшими газами за пределы двигателя.

Составляющие внешнего и внутреннего энергетических балансов связаны между собой следующим образом:

Qzbx = Ql + Öpacc + Qno;

öwr-ц Qr^ + Qwr ;

ек=е№бл.+е нт.ц >

ег=ег+

где епо - скрытая теплота парообразования при термосифонном охлаждении блока; е«т.ц - теплота, отведённая с водой от головки цилиндров; ежбл - теплота, отведенная с охлаждающей водой из блока цилиндров.

Из соотношений (1)-(3) следует, что для определения основных составляющих количества теплоты, выделившегося в цилиндре в результате сгорания топлива, необходимо знать статьи как внешнего, так и внутреннего тепловых балансов: 2т = От 2н/3600 - количество теплоты, вводимой в двигатель с топливом (От - часовой расход топлива, кг; 2н - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг); 2е = пе Ст 2н/3600 - количество теплоты, соответствующее эффективной работе на фланце отбора мощности; 2охл = Goxл (¿вых - ¿вх)Сохл, где Сохл - удельная теплоемкость охлаждающей жидкости, кДж/(кг-К), ?вых и - температура охлаждающей жидкости на выходе и на входе в двигатель, К, Goxл - производительность насоса системы охлаждения, кг/ч; 2м определяется аналогично 2охл; 2г = Gт [М2(ц Ср") - М1(ц Ср) - потеря теплоты с отработавшими газами, где М2 и М1 - молекулярная масса рабочего тела и свежего заряда; Ср - соответствующая им теплоёмкость; и ^ - температура газов и свежего заряда соответственно; 2н б - остаточный член теплового баланса (невязка баланса).

Остаточным членом теплового баланса учитывается часть теплоты, эквивалентной механическим потерям, потери теплоты от неполноты сгорания топлива, потери с выходной скоростью газов (кинетическая энергия) на лучеиспускание двигателя в окружающую среду, потери в результате неточности измерения и другие неучтенные потери теплоты.

В относительном тепловом балансе составляющие теплового баланса выражают в процентах как долю теплоты, подведенной с топливом:

qт = qe + q охл + q + qг + q н.б.

Отношение ее/2т или qe/qт представляет собой эффективный КПД - це.

На номинальном режиме работы судовых дизелей отдельные составляющие теплового баланса равны примерно следующим количествам теплоты (в процентах) от теплоты, подведенной с топливом [2, 3]: qe = 35-51; qoxл = 15-28; qг = 25-42; qн.б = 1-8.

При форсировании дизелей с наддувом значения qe и qr повышаются, а значения qoxл понижаются.

При повышении нагрузки дизеля количество теплоты qe, эквивалентное эффективной работе, увеличивается. При этом уменьшаются потери теплоты с охлаждающей водой qoxл, но несколько увеличиваются потери теплоты с отработавшими газами qr.

Ввиду значительных трудностей, возникающих в процессе расчетной оценки тепловых потерь по отдельным составляющим, тепловой баланс чаще определяют экспериментальным путем на установившихся режимах работы по характеристикам, соответствующим условиям эксплуатации двигателя (нагрузочной, винтовой и др.).

Структура и анализ теплового баланса судового дизеля 4 Ч9,5/11

Внешний тепловой баланс определяется по известной формуле

2т = 2е + + 2г + 2н.б,

где 2ч> = + е„гц; е„вт и 2ч>гц - теплота, переданная охлаждающей воде от блока цилиндров и ГЦ соответственно.

Во внутреннем тепловом балансе учитываются ранее неучтенные потери теплоты, которые составляли остаточный член теплового баланса 2н.б:

2т = 2е + е^вт + е&ц + 2г + 2н.б,

где 2хгц - теплота, переданная через ГЦ. 60

бХвт бивт + брасс + бпо,

где бпо - скрытая теплота парообразования.

Теплота, отведенная с отработавшими газами из цилиндра:

бг бг биг.

Экспериментально были определены составляющие относительного баланса для дизеля 4 Ч9,5/11 (табл. 1).

Таблица 1

Составляющие теплового баланса и расход топлива в зависимости от нагрузки

Количество Режим работы Щ, %

теплоты, % 50 75 100 110

Чи 38,0 37,1 40,1 37,6

Чивт 26,0 22,5 29,0 24,5

Чиг.ц 12,0 14,0 9,0 13,2

Чрасс 3,1 2,2 1,7 1,4

Чг 22,4 22,6 24,4 23

Че 31,5 34,3 34,3 31,8

?Егц 7,8 8,7 5,1 4,4

Расход топлива, г/(кВт ч) 335 333 331 360

Уравнение внутреннего теплового баланса можно представить также в виде

бт = бг + бг-ст + бг,

где б; - теплота, использованная для совершения индикаторной работы; бг-ст - количество теплоты, отведенное от газа в элементы рабочего цилиндра.

В свою очередь,

бг = бе + (бтр + бнас + бвсп),

где (бтр + бнас + бвсп) - количество теплоты, эквивалентное мощности механических потерь бмех (на преодоление сил трения, насосные потери, на привод вспомогательных механизмов).

Представим бг-ст в виде

бг-ст бг-вт + бг-П + бг-дн,

где бг-вт, бг-п и бг-дн - количество теплоты, отведенное от рабочего тела в ЦВ, поршень и огневое днище ГЦ соответственно.

Общее количество теплоты, воспринимаемое поршнем, зеркалом цилиндра и днищем ГЦ, определяется их размерами с учетом времени теплового контакта с газом. Однако удельная тепловая нагрузка (в виде локальных тепловых потоков) для этих поверхностей будет различаться, т. к. они имеют различные термические сопротивления. Следовательно, соотношение количеств теплоты будет выглядеть следующим образом [4]:

бг-вт: бг-П: бг-дн ^Хвт/^вт: Рв т/Яв : Рдн т/Ядн

Здесь Я = 1/аг + 5Л, + 1/аж - полное термическое сопротивление; ^ - площади тепловос-принимающих поверхностей; т = 30/я - время рабочего хода поршня; ^вт - суммарное площадь-время контакта газа с зеркалом цилиндра.

При теплоотводе 40 % теплоты в охлаждающую воду 9 % отводится от ГЦ (теплоотвод через днище составляет 5,1 %, через стенки газовыхлопных каналов - 3,9 %), от ЦВ - 29 %.

Методы оптимизации теплового баланса

Оптимизация теплового баланса (улучшение теплоиспользования в дизеле) возможна следующими способами: уменьшение дополнительных потерь теплоты, вызванных несовершенством современных процессов смесеобразования и сгорания; разумное снижение потерь теплоты в системе охлаждения двигателя; разумное снижение потерь теплоты в окружающую среду в составе отработавших газов.

Оптимизация тепловых потерь через систему охлаждения двигателя. Режим охлаждения двигателя оказывает влияние на эффективность его работы. При повышении температуры

охлаждающей воды индикаторный КПД двигателя падает, что объясняется уменьшением коэффициента наполнения, периода задержки воспламенения и скорым нарастанием давления. Вместе с тем, благодаря снижению вязкости масла, уменьшаются потери на трение (возрастает механический КПД) и износ деталей двигателя. В результате, при изменении температуры от 50 до 150 С наблюдается незначительное увеличение эффективности КПД дизеля.

Таким образом, наблюдается благоприятное с точки зрения утилизации теплоты перераспределение потоков вторичных энергоресурсов: количество теплоты, отводимой уходящими газами, возрастает, а охлаждающей водой - уменьшается.

Несмотря на ряд положительных моментов высокотемпературного охлаждения судовых дизелей, этот способ применяется достаточно ограниченно, поскольку его использование усложняет конструкцию как самого двигателя, так и системы охлаждения и требует обеспечения надлежащей надежности при эксплуатации. Кроме того, условия обитаемости в Мировом океане заметно ухудшаются из-за увеличения количества теплоты, выделяемой двигателями в окружающую среду.

Значительное количество теплоты отводится водой при охлаждении наддувочного воздуха в малооборотных дизелях (МОД), в современных моделях двигателей оно достигает 14 % от теплоты, выделенной при сгорании топлива.

В результате совершенствования двигателей происходит перераспределение потоков энергии: уменьшается доля теплоты, отведенной с охлаждающей пресной водой и возрастает доля теплоты, отведенной при охлаждении наддувочного воздуха (табл. 2).

Таблица 2

Теплота, отводимая системой охлаждения МОД в зависимости от времени производства

Годы постройки дизелей Количество теплоты

отводимой с охлаждающей пресной водой от наддувочного воздуха % от теплоты, выделенной при сгорании топлива с маслом

1965-1970 11-15 6-8 3,3-4,0

1971-1975 9-14 8-11 3,2-3,9

1976-1980- 8-13 10-13 3,1-3,8

7981-1985 6-11 12-15 3,0-3,7

1985-1990 5-9 13-16 2,9-3,6

Относительная потеря теплоты через систему охлаждения является сложной функцией ряда параметров: S/V; n; R; (Т - Тв), т. е. отношения суммарной охлаждаемой поверхности цилиндра к его объему S/V, частоты вращения вала двигателя n, термического сопротивления стенок деталей R, разности значений температуры рабочих газов и охлаждающей воды и др. Для определения рациональных способов ее уменьшения необходимо найти аналитическую связь между перечисленными показателями и относительной потерей теплоты через систему охлаждения дохл. Задача эта сложна, т. к. потоки теплоты от рабочих газов в систему охлаждения через крышку цилиндра 2г-дн, поршень QT.n и рабочую втулку <2г-вг являются сложными функциями переменной температуры газов Т, коэффициента теплоотдачи ar и других составляющих термического сопротивления. Процесс теплопередачи потока теплоты, проходящего через втулку цилиндра, осложняется еще и тем, что большая часть поверхности втулки периодически перекрывается движущимся поршнем.

Представляется возможным рекомендовать следующие пути сокращения дохл с целью увеличения индикаторного КПД дизеля:

- увеличение частоты вращения вала дизеля. Во многих случаях использование этого пути ограничено требованиями потребителей механической энергии, возрастающим изнашиванием, опасным увеличением сил инерции, возможным ухудшением рабочего процесса и т. д.;

- увеличение температуры охлаждающей воды (свыше 100 С);

- увеличение термического сопротивления R деталей ЦПГ таким образом, чтобы на их внутренних поверхностях был обеспечен оптимальный для процессов рабочего цикла уровень температуры (оптимизация термических сопротивлений).

Заключение

Выполнены аналитические исследования структуры и распределения располагаемой теплоты по статьям баланса, позволившие определить наиболее вероятные направления модернизации дизелей, к которым относятся: частичная адиабатизация рабочего процесса; снижение потерь мощности, необходимой для преодоления сил трения; организация качественного смесеобразования; форсирование двигателя и др. С учётом информации о новой машине ЭДП45 производства ОАО «Завод «Дагдизель», испытания, проведённые и предстоящие, по низкому, среднему и высокому форсированию двигателя 4 Ч9,5/11 в модификации 4 ЧН9,5/11 позволят с необходимой и достаточной точностью определить уровень форсирования и составляющие теплового баланса для качественной и количественной оценки эффективности модернизации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дорохов А. Ф. Исследование основных эксплуатационных показателей судового дизеля при его форсировании наддувом / А. Ф. Дорохов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2014. № 4. С. 65-72.

2. Сатжанов Б. С. Тепловая нагруженность элементов рабочего цилиндра судового дизеля. Дис. ... канд. техн. наук. Астрахань, 2011. 128 с.

3. Конкс Г. А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта // Г. А. Конкс, В. А. Лашко // М.: Машиностроение, 2005. 522 с.

4. Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания / И. В. Возницкий, А. С. Пунда. М.: МОРКНИГА, 2008. Т. 1. 283 с.

5. Дорохов А. Ф. Теоретическое исследование теплопереноса и распределения теплоты в судовом двигателе внутреннего сгорания / А. Ф. Дорохов, П. А. Дорохов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 1. С. 101-105.

6. URL: www.dagdizel.ru/.

Статья поступила в редакцию 23.07.2015

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Будин Александр Александрович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; доцент кафедры «Эксплуатация водного транспорта»; budin_a@astu.org.

A. А. Budin

ANALYSIS OF THE STRUCTURE OF HEAT BALANCE OF MODERN DIESELS

Abstract. The analysis of the heat balance of retrofit diesel engines as a way to assess the effectiveness of modernization is of particular interest. Currently, there is need to address the problems associated with the analysis of the heat balance and assessing the effectiveness of the modernization of marine diesel 4 CHN9,5/11, for the first time boosted on intermediate effective pressure as a result of gas turbo charging. Taking into account the significant difficulties taking place in the process of estimation of heat losses on individual components, the heat balance is often determined experimentally at steady speeds in accordance with the characteristics corresponding to the engine operating conditions (load, screw etc.). Optimization of thermal balance (improvement of heat consumption in a diesel engine) is possible in the following ways: a reduction of the additional heat losses caused by the imperfection of the modern processes of mixture formation and combustion; a reasonable reduction of heat losses in the cooling system of the engine; a reasonable reduction of heat losses to the environment as a part of the exhaust gases. The analytical studies of the structure and distribution of the available heat for balance components, which allowed to determine the

most possible ways of modernization of diesel engines, which include: partial operational adiabati-zation; a reduction of losses of the power required to overcome the frictional forces; an organization of qualitative mixing; boosting the engine, etc.. Taking into account the information about the new car EDP45 of JSC "Zavod "Dagdiesel", the carried out and future tests on low, average and high engine boosting 4 CH9.5/11 of modification 4 CHN9.5/11 enable with the necessary and sufficient accuracy to determine the level of boosting and the components of the heat balance for the qualitative and quantitative evaluation of the effectiveness of modernization.

Key words: thermal balance, internal and external, balance structure, heat losses, effective efficiency, mixture formation, combustion chamber, boosting.

REFERENCES

1. Dorokhov A. F. Issledovanie osnovnykh ekspluatatsionnykh pokazatelei sudovogo dizelia pri ego forsirovanii nadduvom [Study of the basic operational parameters of marine diesel when its boosting]. Vestnik Astrakhanskogo gosu-darstvennogo tekhnicheskogo universiteta: Seriia «Morskaia tekhnika i tekhnologiia», 2014, no. 4, pp. 65-72.

2. Satzhanov B. S. Teplovaia nagruzhennost' elementov rabochego tsilindra sudovogo dizelia: dis. kand. tekhn. nauk [Heat load of the elements of the operating cylinder of the marine engine: dis. cand. tech. sci.]. Astrakhan, 2011. 128 p.

3. Konks G. A., Lashko V. A. Mirovoe sudovoe dizelestroenie. Kontseptsii konstruirovaniia, analiz mezhdunarodnogo opyta [World diesel designing. Concepts of designing, analysis of world experience]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2005. 512 p.

4. Voznitskii I. V., Punda A. S. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniia [Marine diesels of internal combustion]. Moscow, MORKNIGA Publ., 2008. Vol. 1. 283 p.

5. Dorokhov A. F., Dorokhov P. A. Teoreticheskoe issledovanie teploperenosa i raspredeleniia teploty v sudovom dvigatele vnutrennego sgoraniia [Theoretical studies of heat transfer and distribution of heat in marine engine of internal combustion]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta: Seriia «Morskaia tekhnika i tekhnologiia» 2011, no. 1, pp. 101-105.

6. Available at: www.dagdizel.ru/.

The article submitted to the editors 23.07.2015

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Budin Alexander Alexandrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Assistant Professor of the Department "Exploitation of Water Transport"; budin_a@astu.org.