Study of possibility for forcing of diesel engines produced by Vladimir motor-tractor plant

Abstract

The article presents the results of calculation researches of possibility for forcing of diesel engines produced by Vladimir motor-tractor plant to 22,1 (30); 25,7 (35) and 29,4 (40) kilowatt per liter (horsepower per liter). It substantiates the most appropriate indicators of diesel engine for the task.

Full Text

На кафедре тепловых двигателей и энергетических установок Владимирского госуниверситета проведена работа по обоснованию конструкционных решений в целях создания семейства дизелей 4ЧН 10,5/12 с жидкостным охлаждением с уровнями форсирования 22,1 (30); 25,76 (35) и 29,44 (40) кВт/л (л.с/л) при изменении номинальной частоты вращения коленчатого вала от 2000 до 2800 мин-1 без изменения конструкции дизеля (без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха и масляного радиатора). Учитывая, что рабочий объем дизеля iVh = 4,15 л, это соответствует эффективным мощностям 91,7; 106,9 и 122,2 кВт (при расчетах мощности могут отличаться в пределах 1%). Таблица 1 Проведен расчет циклов дизеля при номинальных частотах вращения коленчатого вала 2000, 2200, 2400, 2600 и 2800 мин-1. Некоторые результаты расчетов теоретических циклов дизеля приведены в табл. 1, из которой следует, что литровая мощность 22,1 кВт/л при nн = 2000 мин-1 достигается при степени повышения давления воздуха в компрессоре pk = 2,5 и коэффициенте избытка воздуха на номинальном режиме a = 1,63. Режиму максимального крутящего момента (Ме max = 481 Н×м при = 1350 мин-1 и мощности 68,1 кВт) соответствуют значения pk = 2,42 и a = 1,45. Однако высокое давление газов в цилиндре в конце сжатия pc = 10,9 МПа при максимальном давлении цикла pz = 14,8 МПа предполагает заметное смещение процесса сгорания на линию расширения. Кроме того, для достижения заданной мощности механический КПД должен иметь относительно высокое значение (до 0,85). При повышении частоты вращения коленчатого вала на номинальном режиме с 2000 до 2800 мин-1 необходимая степень повышения давления наддува pk снижается с 2,5 до 1,88 при одновременном увеличении коэффициента избытка воздуха α с 1,63 до 1,86 и уменьшении температуры газов перед турбиной Tт с 735 до 635°С. С учетом ограничивающих факторов достижение литровой мощности 22,1 кВт/л (30 л.с/л) становится реальным при частоте вращения коленчатого вала на номинальном режиме nн ³ 2400 мин-1. На этом режиме проверена возможность снижения необходимого давления наддува путем повышения скоростного коэффициента . Степень его влияния на показатели цикла при nн = 2400 мин-1 может быть оценена по данным табл. 2 Таблица 2 Увеличение Кс с 0,625 до 0,643 позволяет при повышении a с 1,45 до1,49 уменьшить степень повышения давления pk с 2,15 до 1,7. Однако использование такого пути для снижения pk нецелесообразно, так как приводит к заметному снижению крутящего момента и номинального коэффициента запаса крутящего момента μн , который уменьшается с 18,6 до 15,3. Сохранить величину крутящего момента при уменьшении степени повышения давления pk в определенной мере можно снижением коэффициента избытка воздуха. Так, при = 1600 мин-1 и α = 1,5; 1,48 и 1,45 можно понизить pк до 2; 1,95 и 1,9, хотя при этом температура газов перед турбиной Tт повышается до 726; 729 и 733 °С. Это также нецелесообразно из-за опасности дымления. Показатели цикла дизеля без охлаждения воздуха после компрессора при литровой мощности 25,7 кВт/л (35 л.с/л) приведены в табл. 3. Расчеты начаты с частоты вращения коленчатого вала nн = 2200 мин-1. На этом режиме необходимая степень повышения давления составляет 2,95. Реально получить заданную литровую мощность при pk £ 2,2 можно лишь при частоте вращения более 2600 мин-1 и коэффициенте механических потерь hм не менее 0,84. Отмечено также, что сохранение литровой мощности на режиме nн = 2800 мин-1 при снижении степени повышения давления с 2,1 до 1,75 требует уменьшения коэффициента избытка воздуха α с 1,7 до 1,51. Достижение литровой мощности 29,4 кВт/л (40 л.с/л) без охлаждения воздуха после компрессора при частоте вращения коленчатого вала 2400 мин-1 возможно при степени повышения давления pk = 3,85 (табл. 4). При nн = 3200 мин-1 она снижается до 2,5, а максимальное давление сгорания уменьшается до 16 МПа. Полученные результаты расчета циклов показывают, что достижение удельной мощности 29,4 кВт/л без охлаждения воздуха после компрессора практически невозможно. Таблица 3 Таблица 4 Для предварительной оценки возможностей достижения заданных литровых мощностей дизеля с помощью турбокомпрессора С13 точки их совместной работы на номинальном режиме и режиме максимального крутящего момента нанесены на универсальную характеристику компрессора (рис. а). Эти точки соединены между собой штрих-пунктирными линиями, числовые значения соответствуют отношению Nе л (л.с/л) к nн (мин-1). Полученное распределение показывает, что с повышением частоты вращения совместная работа дизеля и турбокомпрессора С13 перемещается в зоны с более низкими значениями степени повышения давления pk и более высокими значениями КПД компрессора. Так, при Nе л = 30 л.с/л и nн = 2400 мин-1 значение pk снижается до 2,25, а совместная работа в зоне наибольших значений КПД компрессора происходит только при nн = 2800 мин-1 и pk = 1,8. Механический КПД при nн = 2400 мин-1 принят равным 0,81, а при nн = 2800 мин-1 он равен 0,78. На скоростных режимах nн £ 2400 мин-1 получению литровой мощности 30 л.с/л будет препятствовать недостаточный запас по помпажу на режиме максимального крутящего момента. Турбокомпрессор С14 (модель 1464) позволяет увеличить степень повышения давления в компрессоре до pk = 2,85, но при относительно низких значениях КПД. На рис. б приведено согласование характеристики этого компрессора и дизеля. Как и с турбокомпрессором С13, достижению Ne л = 30 л.с/л при частоте вращения коленчатого вала nн = 2000 мин-1 препятствует вероятность появления помпажа. Так, на режиме максимального крутящего момента запас по помпажу равен примерно 7%, что составляет предел допустимых значений. Поэтому дальнейшее увеличение нагрузки по внешней скоростной характеристике становится опасным. При повышении скоростного режима до 2400 мин-1 запас по помпажу на режиме максимального крутящего момента составляет более 50%, т.е. в этом случае турбокомпрессор может быть использован для наддува указанного дизеля. Таким образом, повышение литровой мощности дизеля с 22,1 до 29,4 кВт/л (с 30 до 40 л.с/л) с помощью турбокомпрессоров, имеющих характеристики, близкие к турбокомпрессорам С13 и С14 (Чехия), без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха возможно лишь при увеличении частоты вращения коленчатого вала соответственно: при 22,1 кВт/л до 2400 мин-1; при 25,7 кВт/л до 2800 мин-1; при 29,4 кВт/л до 3200 мин-1. На более низких частотах вращения точки, соответствующие режимам совместной работы дизеля и турбокомпрессора, находятся в зонах относительно низких значений КПД компрессора, близких к границе помпажа. Кроме того, имеют место высокие значения температуры газов перед турбиной.