Выбор основных эксплуатационных показателей перспективных форсированных малоразмерных судовых дизелей

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И МАШИННО-ДВИЖИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

УДК 621.44

А. Р. Бисенов

ВЫБОР ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ФОРСИРОВАННЫХ МАЛОРАЗМЕРНЫХ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Выбор основных эксплуатационных показателей для перспективного форсированного малоразмерного судового дизеля должен базироваться на предварительном изучении современных российских и зарубежных двигателей этого типа.

Современный технический уровень и динамика развития зарубежных малоразмерных судовых дизелей свидетельствуют о большом внимании, уделяемом производителями их постоянному совершенствованию, при этом необходимо отметить, что основные эксплуатационные показатели двигателей различных фирм колеблются в довольно широких пределах.

Анализируя уровни форсирования малоразмерных судовых дизелей по п - частоте вращения коленчатого вала и ре - среднему эффективному давлению, необходимо прежде всего отметить, что основная их масса выпускается в настоящее время без наддува. Так, из рассмотренных нами в ходе исследований около 70 модификаций дизелей с диаметром цилиндра до 100 мм производства примерно 30 различных фирм наддув имеют только 10 моделей. Модификации с наддувом появляются при объеме цилиндра свыше 0,8 л, все они выпускаются в 6-цилиндровом исполнении.

Отсутствие наддува на дизелях с меньшим общим рабочим объемом объясняется, с одной стороны, трудностью реализации эффективного смесеобразования в камере сгорания, а с другой -относительно невысокими значениями коэффициента полезного действия агрегатов наддува.

Указанные обстоятельства предопределяют целесообразность повышения мощности малоразмерных судовых дизелей за счет форсирования малоразмерных дизелей по частоте вращения коленчатого вала и среднему эффективному давлению.

Номинальные значения среднего эффективного давления дизелей без наддува колеблются в пределах от 0,45 до 0,73 МПа, причем значения выше 0,70 МПа имеет только относительно небольшая группа двигателей. Сравнивая значения ре российских и зарубежных дизелей, можно отметить, что двигатели российского производства, имеющие значения этого показателя при работе в режиме номинальной мощности 0,65-0,72 МПа, оказываются в группе наиболее форсированных (рис. 1). Такое положение свидетельствует о том, что по достигнутым значениям среднего эффективного давления ре двигатели, выпускаемые российской промышленностью, находятся на достаточно хорошем уровне относительно малоразмерных дизелей западного производства [1, 2].

Уровень форсирования по частоте вращения коленчатого вала в значительной степени определяется назначением дизеля. Обеспечивая на своих малоразмерных дизелях наибольшую мощность при максимальном скоростном режиме, зарубежные фирмы предлагают также целый ряд дефорсированных модификаций, причём номинальные значения частоты вращения в каждом случае выбираются в зависимости от назначения дизеля.

Малоразмерные дизели, производящиеся российской промышленностью, в зависимости от назначения, также имеют различные уровни форсирования по частоте вращения коленчатого вала. Наибольший скоростной режим - 2 200 мин-1 имеют дизели типа 2Ч 9,5/10 и 4ЧСП 9,5/11 «Каспий-30М».

Значения частоты вращения коленчатого вала зарубежных малоразмерных дизелей колеблются в пределах 1 600-3 000 об/мин, а на ряде дизелей с рабочим объемом 1,0 л достигают свыше 3 000 об/мин.

Сопоставление уровней форсирования по частоте вращения коленчатого вала малоразмерных судовых дизелей российского и зарубежного производства показывает, что двигатели российской промышленности находятся на современном уровне.

В то же время, если по ре малоразмерные дизели российского производства находятся на достаточно хорошем уровне, то по достигнутым значениям п заметно уступают наиболее форсированным зарубежным модификациям.

Ре,

МПа

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

П

(об/мин) 3 000 2 727 2 454 2 182 1 910 1 636 1 365

Рис. 1. Уровни форсирования малоразмерных дизелей по среднему эффективному давлению

и частоте вращения коленчатого вала:

1 - 2Ч 9,5/10; 2 - 4ЧСП 9,5/11 «Каспий-30М»; Н - двигатели с наддувом

0,4

0,8

0,5

0,6

0,7

0,9

0,3

Относительно невысокие уровни форсирования по частоте вращения коленчатого вала являются одной из основных причин повышенной металлоемкости малоразмерных дизелей российского производства[3, 4].

Сравнение их удельных масс с массами наиболее форсированных зарубежных модификаций показывает, что для достижения современного уровня по затратам металла на единицу производимой энергии необходимо повышение мощности малоразмерных судовых дизелей российского производства на 30-35 % (при сохранении неизменной их массы).

Такой прирост мощности может быть достигнут при форсировании по частоте вращения коленчатого вала до 3 000 об/мин (рис. 2).

N кВт/кг

& - двухцилиндровые малоразмерные дизели

О - четырехцилиндровые малоразмерные дизели Н - двигатели с наддувом

Рис. 2. Удельная мощность малоразмерных дизелей: 1 - 2Ч 9,5/10; 2 - 4ЧСП 9,5/11 «Каспий-30М»; 3, 4 - нижние и верхние границы удельной мощности 2-цилиндровых дизелей;

5, 6 - нижние и верхние границы удельной мощности 4-цилиндровых дизелей

Значения удельного расхода топлива, при работе как в режиме номинальной мощности, так и в других эксплуатационных режимах, приводимые в информационных материалах, колеблются в довольно широких пределах. Расходы повышаются по мере уменьшения диаметра цилиндра, в то же время существенный разброс их значений при одинаковых диаметрах и идентичных уровнях форсирования свидетельствует о различной степени доводки рабочего процесса на двигателях различных производителей.

Расходы топлива при работе в двух режимах, номинальном и режиме наилучшей топливной экономичности (по скоростной характеристике), показаны на рис. 3. Минимальный расход топлива для дизелей с разделенными камерами сгорания составляет 256-258 г/(кВт • ч). По мере повышения частоты вращения топливная экономичность ухудшается и в режиме номинальной мощности ge достигает 280-290 г/(кВт • ч).

Режим Дизели с раздельными камерами сгорания Дизели с непосредственным впрыском

Номинальной мощности /А ф

gmin по скоростной характеристике А о

Рис. 3. Топливная экономичность малоразмерных дизелей:

1 - 2Ч 9,5/10; 2 - 4ЧСП 9,5/11«Каспий-30М»; 3 - нижние границы расходов топлива дизелей с разделенными камерами сгорания; 4 - нижние границы расходов топлива дизелей с непосредственным впрыском; Н - двигатели с наддувом

Топливная экономичность дизелей с непосредственным впрыском имеет аналогичную тенденцию к ухудшению при росте скоростного режима, однако абсолютные значения расходов топлива в этом случае существенно ниже.

Высокую топливную экономичность имеют форсированные по частоте вращения коленчатого вала малоразмерные дизели с непосредственным впрыском. Расходы топлива малоразмерных дизелей с непосредственным впрыском минимальные, по скоростной характеристике еще ниже. Малоразмерные дизели российского производства имеют вихревые камеры сгорания, и расходы топлива при работе в режиме номинальной мощности находятся на уровне 260-270 г/(кВт • ч).

По топливной экономичности они находятся в группе ведущих двигателей аналогичного типа, т. е. дизелей с разделенными камерами сгорания, однако существенно отстают от дизелей с непосредственным впрыском. Перевод на непосредственный впрыск является, таким образом, значительным резервом для повышения топливной экономичности малоразмерных судовых дизелей российского производства.

Форсирование двигателя по частоте вращения коленчатого вала сопровождается, как известно, ухудшением условий протекания рабочего процесса и одновременным повышением механических потерь. Совместное воздействие указанных факторов обусловливает снижение предельно достижимых значений среднего эффективного давления ре и повышение удельных расходов топлива.

Опубликованные данные показывают, что при увеличении частоты вращения в два раза (например, с 1 500 до 3 000 об/мин) максимальное значение ре снижается примерно на 15 %, а расход топлива возрастает на 15-20 г/(кВт • ч) [5, 6].

Отрицательное влияние роста скоростного режима на уровень форсирования по ре и на топливную экономичность может быть снижено за счет высокой степени доводки рабочего процесса при выбранном способе смесеобразования, а также тщательной отработки конструкции с целью снижения уровня механических потерь (рис. 4).

Рм. МПа

Рис. 4. Зависимость механических потерь от частоты вращения коленчатого вала:

1 - малоразмерный дизель с камерой сгорания в поршне; 2 - малоразмерный дизель с предкамерой;

3 - малоразмерный дизель с вихревой камерой

Малоразмерный вихрекамерный дизель 4Ч 8,5/11 российского производства имеет более высокий уровень механических потерь по сравнению с другими, в том числе и зарубежными двигателями. При частоте вращении коленчатого вала 2 200 об/мин значение среднего эффективного давления этого дизеля составляет 0,27 МПа, что примерно на 0,05-0,07 МПа выше, чем у двигателей других типов.

Такие различия в уровне механических потерь соответствуют для дизелей без наддува со средним эффективным давлением 0,6-0,7 МПа, различием в эффективном ge в 5,0-12,0 г/(кВт • ч). Выполненное сопоставление свидетельствует о необходимости совершенствовать конструкции и технологии изготовления российских малоразмерных судовых дизелей с целью снижения уровня механических потерь. Основными путями снижения уровня механических потерь малоразмерных дизелей являются: разработка и применение новых конструктивных форм, современных материалов и технологий, повышение точности изготовления отдельных узлов и деталей, использование агрегатов требуемой мощности с достаточно высоким коэффициентом полезного действия.

Характерной особенностью, отмеченной при рассмотрении показателей зарубежных малоразмерных дизелей, является отсутствие среди них модификаций с числом цилиндров свыше шести (рис. 5).

Объясняется это тем, что преимущества малоразмерных дизелей многоцилиндровых модификаций, в отношении уравновешенности и уровня механических потерь при увеличении числа цилиндров свыше шести, сводятся к минимуму.

п, %

1 г 3 “1

1 2 3 4 5 6 7 8

Число цилиндров, г ____

Рядные 1---1 У-образные

Рис. 5. Распределение малоразмерных дизелей по числу цилиндров

Как известно, в малоразмерном дизеле весьма трудно выдержать с высокой точностью идентичность параметров наполнения, топливоподачи и условий смесеобразования в отдельных цилиндрах, вследствие чего, по мере увеличения их числа, растет разброс значений показателей рабочего процесса в каждом из них. Это и является одной из основных причин, определяющих нецелесообразность увеличения числа цилиндров на малоразмерном дизеле свыше шести. В этом случае повышение агрегатной мощности выгоднее осуществлять за счет увеличения рабочего объема цилиндра [7, 8].

Заключение

Сравнительный анализ технических показателей российских и зарубежных дизелей судового и общепромышленного назначения показал следующее:

— дизели с рабочим объемом цилиндра до 0,8 л выпускаются в настоящее время без наддува: наддув применяется только на отдельных модификациях с объемом цилиндра до 1,0 л, используемых в установках, где удельные показатели имеют первостепенное значение. Малоразмерные дизели российского производства типа Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 с рабочим объемом цилиндра до 0,78 л по достигнутым значениям среднего эффективного давления ре (до 0,72 МПа) находятся на достаточно хорошем уровне относительно мировых образцов;

— уровни форсирования дизелей российского производства по частоте вращения коленчатого вала ниже, чем лучших зарубежных, на 700-900 об/мин (2 200 против 3 000 об/мин). Этим объясняются их относительно более низкие удельные показатели и, в определенной степени, более высокая металлоемкость;

— топливная экономичность российских дизелей, имеющих разделенные камеры сгорания, соответствует уровню топливной экономичности зарубежных двигателей аналогичного типа (£е = 250-265 г/(кВт • ч)), однако заметно ниже, чем у дизелей с непосредственным впрыском (&е = 230-240 г/(кВт • ч));

— малоразмерные дизели практически не выпускаются с числом цилиндров свыше шести, что объясняется снижением известных преимуществ многоцилиндровых модификаций по мере увеличения числа цилиндров при одновременном росте разброса показателей рабочего процесса в отдельных цилиндрах по мере повышения их числа;

— наиболее актуальными направлениями совершенствования малоразмерных дизелей российского производства в настоящее время являются: форсирование по частоте вращения коленчатого вала, перевод с разделенных камер сгорания на непосредственный впрыск топлива, отработка конструкций с целью снижения уровня механических потерь.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей: учеб. для вузов / В. П. Алексеев, В. Ф. Воронин, Л. В. Грехов и др.; под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

2. Завлин М. Л., Семенов Б. Н. Основные направления развития отечественных судовых и промышленных маломерных дизелей // Двигателестроение. - Л., 1980. - С. 5-8.

3. Дорохов А. Ф. Принцип формирования эксплуатационного качества при производстве судовых дизелей // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1999. - № 6. - С. 54-58.

4. Толшин В. И. Форсированные дизели: переходные режимы, регулирование. - М.: Машиностроение, 1993. - 199 с.

5. Озимов П. Л. Основные направления развития дизелестроения в России // Двигателестроение. - 2004. -№ 1. - С. 3-5.

6. Семенов Б. Н., Павлов Е. П., Концев В. П. Рабочий процесс высокооборотных дизелей малой мощности. - Л.: Машиностроение, 1990. - 240 с.

7. Султанова Л. М. Исследование динамики механизма газораспределения судовых высокооборотных дизелей и оптимизация конструкции его элементов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Астрахань: АГТУ, 2002. - 24 с.

8. Гутиева Н. А. Исследование динамики и разработка механизма уравновешивания судовых малоразмерных дизелей: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Астрахань: АГТУ, 2004. - 24 с.

Статья поступила в редакцию 13.12.2010

CHOICE OF BASIC PERFORMANCE CRITERIA OF PROMISING HIGH-POWERED LOW-SIZED SHIP ENGINES

A. R. Bisenov

The analysis of performance criteria of high-powered low-sized ship engines of the Russian and foreign manufacture is given in the paper. Advantages of the application of the uprating method of low-sized ship engines on the frequency of crankshaft rotation are shown.

Key words: high-powered low-sized ship engine, performance criteria, vortex formation.

S3