Повышение эффективности эксплуатации главных судовых дизелей методами регулирования и диагностики топливной аппаратуры (13.07.2009)

Автор: Васькевич Федор Афанасьевич

Для настройки математической модели процесса горения в индивидуальном цилиндре дизелей разных конструкций необходимо определить вид кривой динамики тепловыделения, характерной для данной конструкции двигателя. С помощью наложения кривых тепловыделения нами подбирались настроечные коэффициенты кривой тепловыделения модели сгорания А.С.Пунды. При подборе коэффициентов к ее показательной (экспоненциальной) функции тепловыделения был использован известный принцип дифференцирования индикаторной кривой на базе уравнений сохранения, а коэффициенты подбирались таким образом, чтобы они сохранялись постоянными во всем рабочем диапазоне исходных индикаторных кривых. Полученные коэффициенты для кривой тепловыделения подставляются в исходную модель сгорания, где и проводится их финальное тестирование.

Для реализации описанного выше подхода создана вспомогательная программа, в которой реализуется следующий известный принцип дифференцирования считанной индикаторной кривой. В результате расчетов определяются: характер изменения температуры, интегральная и дифференциальная характеристики тепловыделения, количество выгоревшего топлива, тепловые потери в стенки, среднее индикаторное давление. Характеристика активного тепловыделения ? рассчитывается на основе баланса теплоты:

, (22)

где U + L - количество теплоты, идущей на повышение внутренней энергии U рабочего тела и совершение полезной работы L, qц - цикловая подача, Qн - низшая теплота сгорания топлива, Qx - количество теплоты, выделившейся к текущему моменту, Qпот - количество теплоты, идущей в стенки камеры сгорания и на диссоциацию продуктов сгорания топлива.

Дифференциальную характеристику тепловыделения или относительную скорость сгорания d ? / d? = f(?) определяет производная интегральной характеристики. Здесь ?- угол поворота коленчатого вала.

Методика, принятая для анализа индикаторных диаграмм, базируется на следующих положениях:

1. Смесь газов в произвольный момент времени состоит из G' кг воздуха с истинной изохорной теплоемкостью C'v и G'' кг чистых продуктов сгорания с истинной изохорной теплоемкостью C''v. Текущие значения G', G'' и G определяются из соотношений:

G' = G'a - L0 qц ?,   G'' = Ga - G' + qц ?,   G = G' + G'', (23)

где Ga – масса смеси в камере в начале сжатия, G'a– масса воздуха в камере в начале сжатия, qц ? – текущее количество выгоревшего топлива, L0 – теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива. Истинная изохорная теплоемкость смеси газов в камере определяется по правилу смешения как:

, (24 )

2. Полный дифференциал внутренней энергии смеси газов в камере определяется как:

dU = (C'vG' + C''vG') dT + [(L0 + 1) u'' + L0 u'] qц ?, (25)

где u' — внутренняя энергия воздуха, u'' — внутренняя энергия чистых продуктов сгорания.

3. Работа газов в элементарном процессе:

dL = k4 Pb d?, (26)

, ? - угол поворота коленчатого вала, ? — отношение длины шатуна к радиусу кривошипа, P - давление в цилиндре, Dц - диаметр цилиндра, S - ход поршня.

(Tw - T), (27)

- коэффициенты, учитывающие условия передачи тепла стенкам камеры, n - частота вращения, e0 - начальная степень сжатия.

5. Т.к. для настройки модели используются индикаторные диаграммы, полученные в нормальных эксплутационных условиях, то потерями теплоты на недогорание топлива пренебрегают вследствие их малости.

, (28 )

- текущая степень сжатия.

Индикаторная диаграмма может быть описана системой из уравнения состояния и дифференциального уравнения первого закона термодинамики, отнесенных к содержимому камеры сгорания:

. (29)

Система уравнений решается методом Рунге-Кутта. Суммирование площадей индикаторной диаграммы производится в процессе расчета, среднее индикаторное давление определяется в конце как:

где n2 — средний показатель политропы расширения, равный:

По мере развития процесса сгорания разброс точек относительной скорости сгорания возрастает. На участке расширения к концу процесса сгорания разброс расчетных точек кривой d ? / d ? = f(?) столь значителен, что они располагаются по обе стороны оси абсцисс. Этот факт установлен путем анализа индикаторных диаграмм двигателей. Разброс точек провоцируется субъективными ошибками при замере ординат индикаторной диаграммы. Поэтому методикой расчета предусмотрено сглаживание данных, которое уменьшает разброс точек расчетных кривых, не искажая вида кривой давления.

(=0.9, (zk=200пкв. Положительные итоги сравнения расчетных и экспериментальных данных позволили сделать обоснованный вывод о возможности использования метода расчета ГМА им. адм. С.О.Макарова для связи закона впрыска топлива с параметрами рабочего процесса после настройки модели для конкретного дизеля [12].

Рис.7. Индикаторные диаграммы двигателя 6S70MC, использованные

для настройки расчетной модели рабочего процесса

Объединение двух методов теоретического анализа – моделей топливоподачи и процесса сгорания в цилиндре – позволило получить качественно новую теоретическую модель для решения важных вопросов оценки и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры с помощью диагностических графиков. Разработанная модель позволяет решать эту задачу на стадии создания дизеля без дорогостоящих экспериментальных исследований.

???????????E

?????????

????????????

????????????

*вания топливного насоса высокого давления (ТНВД); 4) параметров регулирования выхлопного клапана. Решение этих вопросов предлагается выполнять частично на основе известных ранее методов и процедур после их уточнения, частично на основе вновь предложенных приемов [4], [9], [12].

Как показали исследования, идеальной заклинки кривошипов коленчатого вала главных судовых малооборотных дизелей не бывает. Все двигатели имеют в большей или меньшей степени отличия верхних мертвых точек кривошипов от их “геометрических” значений, указанных на маховике двигателя. Численная величина этих отклонений определяется прежде всего технологической культурой дизелестроительного завода. Однако ни один завод не указывает погрешность изготовления коленчатого вала и не дает процедуры для оценки этой погрешности. Очевидно, что эти погрешности необходимо учитывать при регулировке топливной аппаратуры и индикаторного привода.

В основу процедуры определения верхней мертвой точки кривошипа положен известный прием – замеряется угол положения маховика перед ((1) и после ((2 ) ВМТ, когда поршень находится на одном и том же уровне. Угол ?1 устанавливается примерно равным 1/2 от угла заклинки кривошипов. Верхняя мертвая точка кривошипа определится как:

(ВМТ = ((1 + (2 ) / 2 . (32)

По окончании замеров может быть найдена погрешность изготовления коленчатого вала - путем сравнения найденного “истинного” значения ВМТ кривошипа каждого цилиндра (ВМТ с его “геометрическим” значением (ГВМТ:

( (ВМТ = (ВМТ - (Г ВМТ . (33)


загрузка...