Технические
науки /4. Транспорт
Смолин А.А., Кольб В.В.
Омский
автобронетанковый инженерный институт
Наиболее эффективным способом повышения тяговых
показателей дизелей с газотурбинным наддувом является увеличение ЦПТ при
организации удовлетворительного воздухоснабжения процесса сгорания топлива.
Увеличение ЦПТ благоприятно влияет на повышение
номинальной мощности и максимального крутящего момента двигателя. Однако,
форсирование рабочего процесса дизеля ГТН приведет к дальнейшему росту тепловой
и механической нагруженности деталей ЦПГ двигателя. При этом значения ограничивающих
факторов существенно возрастают и приближаются к своим предельным значениям.
Исследования выполнены на математической модели
[1, 2, 3] уточненной в ходе диссертационного исследования. Математическая
модель процессов энергопреобразования дизеля КАМАЗ, отличается уровнем
форсирования рабочего процесса и увеличением плотности воздуха на впуске.
Изменение уровня форсирования при моделировании
осуществлено принудительным увеличением в математических моделях значения
максимальной ЦПТ, увеличением плотности воздушного заряда на впуске, улучшением
характеристик ТКР, для сохранения коэффициента избытка воздуха не менее 1,7 при
работе с полной нагрузкой.
Расчеты выполнены применительно к стандартным
атмосферным условиям на режимах номинальной мощности и максимального крутящего
момента.
При использовании форсирования рабочего процесса
методом впрыскивании топлива во впускной коллектор кроме увеличения ЦПТ
происходит снижение температуры воздушного заряда на впуске так как температура
впрыскиваемого топлива находится в пределах 10-25о С. и этим самым
повышается наполняемость цилиндра из-за повышения плотности заряда.
Изменение давления наддува в зависимости от
температуры воздуха на впуске для различных режимов неодинаково и зависит от
частоты вращения КВ. С уменьшением температуры на впуске (ТВП)
на каждые 50 0С при n=1500 мин-1 давление наддува
понижается на 0,015 МПа (15 %). При увеличении n интервал изменения РК
на каждые 50 0С снижения ТВП уменьшается и
составляет при n=2100 мин-1 около 0,005 МПа (3 %).
Уменьшение давления наддува при снижении
температуры на впуске несколько снижает возможное увеличение плотности
наддувочного воздуха. Однако, уменьшение температуры воздушного заряда на
впуске оказывает на изменение плотности большее влияние, в результате чего при
уменьшении температуры на впуске плотность воздуха возрастает на каждые 40 0С
уменьшения ТВП, плотность воздуха после компрессора
увеличивается приблизительно на 0,25 кг/м3. Это в свою очередь при
неизменной цикловой подаче вызывает изменение коэффициента избытка воздуха (a). Так, при n=1500
мин-1 с уменьшением ТВП в исследуемом диапазоне a возрастает в интервале
от 1,46 до 2,52 на (42 %).
Несмотря на увеличение a, из-за уменьшения
параметров рабочего тела в конце такта сжатия происходит увеличение периода
задержки воспламенения. В результате увеличения ji
большее количество топлива успевает пройти предпламенную подготовку, возрастает
скорость сгорания топлива во время турбулентного горения, повышается
максимальное давление цикла, что создает предпосылки для быстрого догорания
топлива во время диффузионной стадии. За счет этих факторов может сократиться
общая продолжительность сгорания топлива при неизменном его количестве.
Анализ полученных данных показывает, что ЦПТ
может быть увеличена на режиме максимального крутящего момента в 1,3 - 1,4
раза, при этом коэффициент избытка воздуха понизится до уровня 1,50 - 1,61.
Это определяет дальнейший рост максимального
крутящего момента более чем на 20 - 30%, абсолютное значение, которого может достигнуть 4900 Н.м.
в зависимости от КПД ТКР, что на 980 Н.м. больше, чем у штатного дизеля.
При дальнейшем увеличении цикловой подачи при
работе силовой установки с частотой вращения коленчатого вала, соответствующей
максимальному крутящему моменту, максимальные значения внутрицилиндровых
давлений достигает более 12,0 МПа, а максимальные температуры 2600К, и
превышает значения коэффициентов тепловой напряженности по А.К. Костину [74].
На номинальном режиме работы двигателя при
увеличении ЦПТ наибольшую интенсивность роста имеет максимальное давление в
цилиндрах двигателя. С учетом значения максимального давления в цилиндрах
дизеля КАМАЗ и его максимально-допустимого значения можно предположить, что
максимальная цикловая подача топлива будет ограничена увеличением Рz
на 10 - 15%. С учетом этого, значение
номинальной мощности дизеля может быть повышено до
836 кВт.
Температура газа перед турбиной турбокомпрессора
на номинальном режиме работы двигателя имеет меньшую интенсивность роста, но
запас до его предельного значения составляет всего 3 - 5%. Для достижения этой
температурой своего предельного значения можно увеличить ЦПТ на 20%, при этом
мощность дизеля возрастет до 839 кВт.
Таким образом, максимально допустимое увеличение
ЦПТ на номинальном режиме работы двигателя относительно ее исходной величины
при условии сохранения значений основных ограничивающих факторов в допустимых
пределах составит 12 - 14%, что обеспечит увеличение максимальной мощности
дизеля КАМАЗ до 824 - 839 кВт.
Увеличение подаваемого топлива и уменьшение
температуры воздуха на впуске обусловливает изменение протекания предпламенных
процессов и процесса сгорания, что приводит к изменению составляющих
технических потерь. Так, при понижении температуры на впуске уменьшаются
потери, обусловленные теплоотдачей от рабочего тела в стенки рабочей полости (DhТО). Причиной этого
является уменьшение общего уровня температур в цилиндре. В результате
исследований выяснено, что на указанных режимах с уменьшением температуры на
впуске потери, связанные с теплообменом DhТО уменьшаются в
зависимости от скоростного режима.
Аналогичное изменение имеет относительное
уменьшение полезной работы вследствие роста теплоемкости реального рабочего
тела (DhРТ). При уменьшении
частоты вращения до n=1500 мин-1
они снижаются с 8,3% до 4,5%.
Максимально допустимое увеличение ЦПТ на
номинальном режиме, исходя из работоспособности двигателя, составит 12 - 14%,
что обеспечит прирост максимальной мощности дизеля КАМАЗ до 824 - 839 кВт, что будет соответствовать увеличению на
88 - 103 кВт относительно исходного значения.
Литература:
1. Бурячко В.Р., Гук А.В.
Математические модели процессов энергопреобразования в поршневых двигателях
внутреннего сгорания. Учеб. пособие. / СПб.: - ВАТТ, -1995.
2. Бурячко В.Р., Зубенко
В.И. Математическое моделирование рабочих процессов силовых установок военной
автомобильной техники. Учеб. пособие. - СПб.: ВАТТ,-
1988.
3. Гук А.В. Улучшение
энергетических свойств форсированных наддувом дизелей военной автомобильной
техники путем турбокомпаундирования. Дис. канд.техн.наук. 1992.
4. Костин А.К., Ларионов
В.В, Михайлов Л.И. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания: Справ.
пособие. - Л.: Машиностроение, 1979. - 222 с.