Программа и методика экспериментального исследования системы стабилизации температуры свежего заряда с использованием вихревой трубы в комбинированном ДВС

Оценка возможности и эффективности использования вихревой трубы для стабилизации температуры свежего заряда в двигателях с наддувом проводилась на моторном стенде, оборудованном необходимой измерительной аппаратурой; приборами для определения мощностных, экономических показателей двигателя и индицирования рабочего процесса.

Программа проведения экспериментального исследования включала четыре этапа. Перед началом испытаний на каждом из этапов проводилась проверка работоспособности всех приборов, систем и измерительной аппаратуры стенда.

Первый этап был посвящен оценке влияния температуры наддувочного воздуха на мощностные и экономические показатели дизеля ЯМЗ-8424, а также на особенности протекания его рабочего процесса.

Задача второго этапа заключалась в определении целесообразного уровня охлаждения наддувочного воздуха с точки зрения компромисса между улучшением мощностных и экономических параметров, снижением тепловой нагруженности и дымности (токсичности) отработавших газов, имеющими место при понижении температуры наддувочного воздуха, и происходящим при этом росте механических нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма.

Третий этап включал сравнительные стендовые испытания дизеля ЯМЗ-8424 со штатным охладителем наддувочного воздуха и с системой стабилизации температуры наддувочного воздуха с вихревой трубой при работе на различных эксплуатационных режимах

Четвертый этап экспериментального исследования заключался в оценке возможности стабилизации температуры наддувочного воздуха с помощью системы стабилизации температуры наддувочного воздуха с вихревой трубой на требуемом уровне при работе дизеля ЯМЗ-8424 на малой нагрузке.

Методика проведения первого этапа экспериментального исследования

При определении влияния температуры наддувочного воздуха на показатели дизеля ЯМЗ-8424 оценивали следующие параметры: эффективную мощность, удельный эффективный расход топлива, продолжительность процесса сгорания, максимальное давление рабочего тела, максимальную скорость нарастания давления («жесткость»), коэффициент избытка воздуха, критерий тепловой напряженности и дымность отработавших газов.

Отметим, что приведенный перечень показателей позволяет составить достаточно полное и разностороннее представление о качестве рабочего процесса. Величина эффективной мощности отражает возможности двигателя как источника механической энергии; удельный эффективный расход топлива показывает насколько полно была использована термохимическая энергия топлива в реализованном рабочем процессе; значения максимальной скорости нарастания давления и максимального давления цикла отражают механическую нагруженность, а критерий тепловой напряженности - тепловую нагруженность деталей двигателя. Дымность отработавших газов дает информацию об их токсичности (напомним, что по ГОСТ 17. 2.2.01-84 [32] у дизелей регламентируется именно дымность отработавших газов, как наиболее существенная составляющая твердых частиц, выделяемых этими двигателями). Заметим, что дымность в совокупности с удельным расходом топлива позволяют оценить и общую экологическую безопасность (или опасность) двигателя. Дело в том, что в поршневых ДВС в мире ежегодно сжигается более 2 млрд, т нефтяного топлива. Разведанные же запасы топлива далеко не безграничны. В табл. 5 показано общее количество добычи и потребления углеводородного (жидкого и газового) топлива [28].

Таблица 5 - Добыча и потребление жидкого и газового топлива

(млн. т условного топлива)

Виды топлива

Годы

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

2015

2020

Жидкое топливо

2459

2500

2530

2527

2523

2455

2397

2455

2510

Газовое топливо

958

1033

1084

1074

1047

1026

962

870

787

Всего

3417

3533

3614

3601

3570

3481

3359

3325

3297

Стабильный уровень добычи и потребления углеводородных топлив связан с ограниченными природными их ресурсами. При открытии новых месторождений, старые - вырабатываются и закрываются.

Процесс превращения (трансформации) термохимической энергии топлива в механическую работу в поршневых ДВС включает в себя как обязательный элемент окисление этого топлива с использованием кислорода атмосферного воздуха.

Широкая распространенность обсуждаемых двигателей обусловливает интенсивное его расходование. Так, если в 1973 г. «сжигалось» 23% кислорода, производимого всей наземной растительностью, то в 1993 г. эта цифра достигла 90%. Такая динамика неудивительна, ведь количество кислорода, выделяемое 1 га лесных насаждений за год, легковой автомобиль среднего класса «сжигает» всего за месяц работы [107]. Ученым уже ясно [5, 55, 61, 80 и др.], что ухудшение состояния окружающей среды и здоровья людей происходит, и будет происходить в будущем, не столько из-за выбросов токсичных веществ, содержащихся в отработавших газах поршневых ДВС, сколько из-за дефицита кислорода в атмосфере Земли.

Ситуация, имеющая место с кислородом, свидетельствует о том, что проблема кислородного «голодания» возникнет раньше, чем топливный «голод». Полагают [55, 80, 129 и др.], что в ближайшие 150— 180 лет количество кислорода в атмосфере сократится на треть по сравнению с современным его содержанием.

Еще одним важным экологическим фактором, связанным со сжиганием топлива в поршневых ДВС является то, что даже при значениях их эффективного КПД на уровне 40%, остальные 60% выделившейся при сжигании топлива теплоты уходят на обогрев окружающей среды. Результаты этого обогрева мы совершенно отчетливо ощущаем сегодня в масштабах всей планеты.

Авторы монографии не считают, что приведенный выше материал по вредному экологическому воздействию поршневых ДВС за счет потребления топлива перегружает настоящий раздел, потому что именно снижение расхода топлива одновременно позволяет в значительной мере снизить и «уничтожение» природных энергоносителей, и расходование кислорода атмосферы, и степень ее обогрева отработавшими газами.

Для оценки влияния температуры наддувочного воздуха на мощностные, экономические показатели и характер протекания рабочего процесса. дизеля ЯМЗ-8124 штатный охладитель наддувочного воздуха был отсоединен от жидкостной системы охлаждения двигателя и подключен к отдельному водяному контуру, что позволяло, регулируя расход циркулирующей в нем холодной воды, изменять температуру воздуха на выходе из охладителя наддувочного воздуха.

Испытания проводились в две серии при неизменных: частоте вращения коленчатого вала (в первой серии соответствующей режиму максимальной мощности, во второй - максимального крутящего момента), угле опережения впрыскивания и цикловой подаче топлива, а также температуре воздуха на входе в компрессор.

Определенные таким образом зависимости мощностных и экономических параметров, механической, тепловой нагружениости и дымности (токсичности) отработавших газов от уровня температуры наддувочного воздуха служили исходным материалом для определения рационального значения этой температуры с точки зрения компромисса между перечисленными выше показателями, выбора теплоаккумулирующего вещества и расчета характеристик системы стабилизации температуры наддувочного воздуха.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >