Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Тимофеев Виталий Никифорович

Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС
<
Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Тимофеев Виталий Никифорович. Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС: диссертация ... доктора технических наук: 05.08.05 / Тимофеев Виталий Никифорович;[Место защиты: Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова].- Санкт-Петербург, 2015.- 386 с.

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние проблемы и задачи исследования 18

1.1. Влияние условий эксплуатации на тепловое состояние судовых ДВС 18

1.1.1. Влияние климатических условий на температурное состояние дизеля 26

1.2. Влияние режимных параметров системы охлаждения на температурное состояние охлаждаемых деталей и рабочий процесс судового дизеля 30

1.3. Влияние конструктивных факторов, параметров рабочего процесса, рециркуляции отработавших газов на температуру деталей дизеля 49

1.4. Анализ существующих систем охлаждения судовых дизелей и основные тенденции их развития 60

1.5. Особенности конструкции и работы терморегуляторов прямого и непрямого действия 1.6. Современное состояние системы автоматического регулирования температуры дизельных установок 73

1.7. Особенности утилизации теплоты в судовых дизельных установках 78

Выводы по главе. Цель и задачи исследования 80

2. Теоретическое обоснование оценки и обеспечения рационального температурного режима в судовыхдизельных установках 83

2.1. Теплообмен и теплоотдача в элементах конструкций, выбор режима охлаждения в зарубашечном пространстве судового дизеля 83

2.2. Исследование влияния температурного режима охлаждающей воды на тепловое состояние дизеля методом численного моделирования 100

2.3. Концепция построения системы автоматической системы регулирования температуры судовых дизелей 108

2.4. Задача о максимальном быстродействии в САРТ дизеля; метод фазового пространства и резервы повышения быстродействия системы охлаждения судового дизеля 119

Выводы по главе 129

3. Исследование элементов исполнительно - регули рующих устройств и электрических терморегуляторов 131

3.1. Основные задачи исполнительно-регулирующих устройств 131

3.2. Анализ исполнительных механизмов постоянной скорости, разработка релейно-импульсного терморегулятора 135

3.3. Обзор исполнительных механизмов и терморегуляторов с твердым наполнителем и электронагревателем 145

3.3.1. Обоснование параметров ИМ и продолжительности нагрева твердо з го наполнителя в терморегуляторах с твердым наполнителем и электро нагревателем 148

3.3.2. Статические и динамические и характеристики электрического исполнительного механизма 152

3.4. Обзор исполнительных механизмов с твердым наполнителем и термоэлектрическим элементом, разработка терморегулятора с термоэлектрическим модулем 159

3.5. Микропроцессорный терморегулятор 166

3.6. Многофункциональный терморегулятор 170

3.7. Датчики температуры 174

3.8. Обоснование выбора регулирующего органа 176

Выводы по главе 182

4. Модернизация систем регулирования температуры утилизация теплоты судового дизеля 184

4.1. Разработка системы подогрева-охлаждения путем утилизации тепловых потерь дизеля 184

4.2. Совершенствование системы наддувочного воздуха судовых дизелей 187 4.2.1. Система охлаждения наддувочного воздуха и ОГ судового дизеля 199

4.3. Синтез автоматического регулирования температуры охлаждающей воды судового дизеля, работающего на переменных нагрузках 2 4.3.1. Система охлаждения судового дизеля с электронным переключателем 214

4.3.2. Система охлаждения судового дизеля

2 4.4. Система аварийной остановки дизеля переключателем 221

4.5. Многоконтурная система автоматического регулирования температуры судового дизеля 223

4.6. Методы оптимизации температурного режима изменением конструктивных схем рабочих систем дизеля

4.6.1. Метод оптимизации температурного режима деталей ДВС путем модернизации топливной системы. Автоматическое изменение угла опережения впрыска топлива в судовых дизелях 227

4.6.2. Особенности регулирования температуры распылителей форсунок при работе дизеля на тяжелом топливе 233

4.6.3. Регулирование рабочего процесса дизеля дросселированием заряда воздуха на режимах частичных нагрузок и холостого хода 234

4.6.4. Метод стабилизации температуры ЦПГ дизеля путем присадки водорода в жидкое топливо

2 4.7. Синтез комбинированных систем регулирования температуры дизелей 247

4.8. Система прямого преобразования тепловой энергии в электрическую утилизацией тепловых потерь судового дизеля 253

Выводы по главе 265

5. Исследование основных характеристик систем ав томатического регулирования температуры судовых двс 267

5.1 .Дизель как регулируемый объект по температуре охлаждающей воды 267

5.2. Статические характеристики системы охлаждения 270

5.3. Исследование динамических характеристик и параметров системы подогрева - охлаждения судового дизеля 277

5.3.1. Динамические характеристики системы подогрева охлаждения по каналу нагрузочного воздействия 280

5.3.2. Динамические характеристики по каналу регулирующего воздей ствия 284

5.4. Статика системы автоматического регулирования температуры дизелей 285

5.5. Динамика системы автоматического регулирования температуры дизеля 290

5.6. Расчет настройки систем регулирования с компенсацией возмущений 296

5.7. Критерии реализуемости условия инвариантности САРТ 299

Выводы по главе 302

6. Экспериментальные исследования терморегуляторов, систем охлаждения и сарт судовых дизелей 304

6.1. Методика и средства экспериментальных исследований 304

6.1.1. Релейно-импульсный терморегулятор 306

6.1.2. Микропроцессорный терморегулятор 310

6.1.3. Электрический терморегулятор с твердым наполнителем и электронагревательными элементами 313

6.1.4. Экспериментальное определение характеристик и сравнительный анализ электрических терморегуляторов 315

6.2. Экспериментальное исследование системы подогрева - охлаждения дизеля 6NVD 26 А-3 320

6.2.1. Идентификация системы подогрева-охлаждения как объекта регули рования 323

6.3. Определение оптимальных параметров и настройки релейно импульсного терморегулятора системы подогрева-охлаждения 331

6.4. Экономическая эффективность использования рационального темпе

ратурного режима в судовых дизелях в условиях эксплуатации 337

Выводы по главе 341

Заключение 343

Список использованной литературы

Введение к работе

Актуальность. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются одним из основных элементов судовых энергетических установок (СЭУ), определяющих их экономичность и безотказность. Поэтому им уделяется особое внимание реализуемых в настоящее время ФЦП «Развитие гражданской морской техники» на 2009-2016 годы» и подпрограмме «Создание и организация производства в Российской Федерации в 2011-2015 годах дизельных двигателей и их компонентов нового поколения», которые предусматривают разработку новых базовых модификаций и типо-размерных рядов современных судовых четырехтактных двигателей, форсированных как по частоте вращения коленчатого вала, так и по среднему эффективному давлению.

Главным условием обеспечения экономичности, безотказности и ресурсных показателей форсированных судовых ДВС является их оптимальное тепловое состояние, которое характеризуется степенью нагрева основных деталей, зависящей от интенсивности и качества управления тепловыми процессами.

Достаточно стабильное и равномерное тепловое состояние (ТС) деталей ДВС обеспечивается их конструкцией, а также характером протекания рабочего процесса. Вместе с тем, оптимальное тепловое состояние двигателя должно поддерживаться при любых эксплуатационных условиях и режимах работы. Это состояние обеспечивается совокупностью специальных устройств - систем охлаждения (СО), отводящей теплоту от деталей, подверженных тепловым нагрузкам.

Большинство современных судовых ДВС имеют ТС близкое к требуемому только на номинальных режимах работы. На частичных нагрузках температуры деталей ЦПГ понижаются вследствие несовершенства системы управления охлаждением двигателя.

Более перспективным направлением в развитии СО современных судовых ДВС является совершенствование управления тепловыми процессами как на номинальной, так и частичных нагрузках.

Для каждого двигателя существует наилучшее ТС, обеспечивающее наибольшую экономичность на большинстве режимов работы. Для под-

держания этого теплового состояния требуется автоматическое управление СО, определяющим параметром которого является температура охлаждающей воды.

Таким образом, совершенствование СО, обеспечивающих заданные тепловые режимы термически напряженных деталей в различных условиях эксплуатации судового ДВС является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является разработка и совершенствование методов и средств автоматического теплового регулирования судовых

Две.

Основные научные задачи:

  1. Провести анализ влияния температурного состояния на рабочие показатели дизеля и определить совокупность параметров охлаждения наиболее существенно влияющих на технико-экономические и экологические показатели судовых дизелей.

  2. Разработать научную концепцию построения системы автоматического регулирования температуры судового дизеля.

  3. Совершенствовать (модернизировать) СО, систему смазки (СМ), систему наддува (СН) и систему аварийной остановки дизеля с целью обеспечения квазиоптимального ТС дизеля и требуемых значений температур деталей ЦПГ при переменных режимах работы дизеля.

  1. Разработать принципиальную схему преобразования тепловой энергии ОГ в режиме получения холода.

  2. Разработать, испытать в условиях эксплуатации на дизельных установках электрические терморегуляторы (ТРГ) и выполнить их сравнительный анализ.

6. Провести экспериментальные исследования СО с релейно-
импульсным ТРГ (РИТРГ) на судовых дизелях 6NVD 26 А-3, 8ЧН
16,5/18,5.

7. Оценить технико-экономическую эффективность регулирования
температурного режима с электрическими ТРГ судовых дизелей в усло
виях эксплуатацию.

Объектом исследования является системы автоматического регулирования теплового состояния судовых дизелей.

Предмет исследования: методы, средства и параметры автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС в условиях эксплуатации.

Методы исследования.

В работе нашли применение теория ДВС и САРТ, законы и методы классической теории теплообмена, регрессионного анализа, математической статистики, прикладные пакеты программ, реализующих метод конечных элементов.

Достоверность результатов и выводов работы подтверждена:

сходимостью экспериментов теоретических исследований с применением современных методов; и средств измерений и регистрации исследуемых показателей работы дизеля;

сходимостью полученных данных с существующими положениями теории поршневых ДВС, термодинамики и теплопередачи; физической обоснованностью принятых теоретических предпосылок;

достаточной точностью применявшегося информационно-измерительного комплекса;

- согласованием полученных зависимостей с теоретическими положе
ниями и данными экспериментов.

Научную новизну результатов исследования представляют следующие результаты:

  1. Принципы совершенствования регулирования теплового состояния судовых дизелей.

  2. Теоретически обоснованные конструкции разработанных ТРГ: ре-лейно-импульсного ТРГ, ТРГ с твердым наполнителем (ТН) и электронагревательными элементами, результаты исследования ТРГ.

3. Закономерности регулирования теплового состояния дизеля за
счет:

- СО, с использованием отводимой от ДВС теплоты;

системы наддува с «холодной» рециркуляцией ОГ;

системы аварийной остановки дизеля;

СО с регулируемым давлением;

- СО с возможностью переключения контура забортной воды на контур абсорбционной холодильной машины (АБХМ).

  1. Теоретическое обоснование перспективности использования для регулирования ТС ДВС АБХМ, работающей в режиме получения холода утилизацией теплоты ОГ.

  2. Методы оценки рекомендуемых температурных режимов, реализация которых обеспечивает снижение общих эксплуатационных затрат на горюче-смазочные материалы и затрат на изготовление теплообменников СЭУ.

Результаты исследования могут быть использованы при расчете и проектировании СО, СМ и газотурбинного наддува судовых, а также при совершенствовании САРТС судового ДВС.

Практическая значимость. Практическая ценность работы состоит в том, что в результате комплексного подхода к проблеме охлаждения судовых ДВС разработаны САРТС, а также рекомендации по совершенствованию СО и режимных параметров охлаждения, предложены конструктивные технические решения по модернизации СО, обеспечивающие энерго- и ресурсосбережение судовых ДВС. Разработанные электрические ТРГ позволяют создать модернизированную САРТ, обеспечивающую требуемое ТС ДВС на всех режимах его работы. АБХМ позволяет утилизировать теплоту ОГ и использовать ее для регулирования температурного режима рабочих систем ДВС, СО и других потребителей, в том числе создать комфортные бытовые условия плавсостава. Результаты исследования и опытной эксплуатации РИТРГ-а в СПО дизеля 6NVD 26 А-3 на т/х "Волгарь-7", а также ТРГ с нагревательными элементами могут быть использованы на вновь создаваемых судовых ДВС.

Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:

научная концепция построения САРТ судовых ДВС, качество функционирования которой оценивается точностью отработки задающего воздействия и быстродействием;

исполнительно-регулирующие устройства (ИРУ) быстродействующих ТРГ и разработанные конструкции электрических ТРГ: релейно-

импульсный, с ТН и нагревательными элементами: ЭН и ТМ, позволяющие при необходимости работу в режиме «программируемый» и обеспечивающие требуемый температурный режим в условиях эксплуатации судового ДВС;

результаты лабораторных и эксплуатационных испытаний ТРГ, подтверждающие получение требуемых результатов;

схемы СО, позволяющие повышать температуру охлаждающей воды на режимах частичных нагрузок и режимах холостого хода; НВ с возможностью подогрева НВ на частичных и охлаждения на номинальных нагрузках; «холодной» рециркуляции ОГ; аварийной остановки, исключающей перегрев дизеля; охлаждения с возможностью переключения внешнего контура на режим АБХМ;

АБХМ с использованием энергии ОГ двигателя;

многоконтурная САРТ судового ДВС регулирующая все температурные параметры в СО, наддувочного воздуха и смазки;

результаты исследования динамических характеристик СПО судового ДВС;

идентификация СПО как объекта регулирования.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований использованы в ЗАО «ОРЛЭКС»; в ОАО «Чебоксарский речной порт»: РИТРГ в СО судового дизеля 6NVD 26 А-3; счетчики наработки для определения времени режимов работы дизеля на судах типа «Метеор», т/х «Окский-5»: «Волжское пароходство», четырехпалубный пассажирский т/х «Константин Федин».

Результаты работы используются в учебном процессе и научной работе на кафедре теории и конструкций СДВС в Государственном университете морского и речного флота имени адмирала СО. Макарова.

По результатам работы проведены эксплуатационные испытания в ОАО "Чебоксарский речной порт", ОАО "Дизельпром". Работа рекомендована к внедрению в производство.

Апробация результатов исследования. Основные материалы доложены, обсуждены и одобрены на итоговых научных конференциях Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова (г. Чебокса-

ры, ЧГУ 1985-2014 гг.); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Ленинградского института водного транспорта, с научно- техническим обществом РСФСР (г. Ленинград, ЛИВТ, 1989-1990гг.); всесоюзный научно-техническим семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 02.02.05); на семинаре «Современные проблемы развития поршневых ДВС» (С.-Петербургский государственный морской технический университет, 13-14.10.2005); всесоюзном научно-техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 01.02.06); всесоюзном научно-техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 31.01.07); всесоюзном научно-техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок, (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 30.01.08); всесоюзной научно-практической конференции «Инновационные технологии как фактор обеспечения конкурентоспособности регионов» Чуваш, госуниверситет им. И.Н. Ульянова, (19.12.08) всесоюзном научно-техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок, (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 30.01.13).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 80 работ, в том числе 3 монографии, 14 публикаций в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК, 38 авторских свидетельств и патентов на изобретения и полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, приложений. Материал изложен на 385 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 89 рисунков, 3 приложения. Список использованной литературы включает в себя 365 источников, в том числе - 21 на иностранных языках.

Влияние конструктивных факторов, параметров рабочего процесса, рециркуляции отработавших газов на температуру деталей дизеля

При температурах ниже 15-10 С резко возрастает вязкость топлива и масла. Понижение температуры смазочного масла вызывает возрастание вязкости, что в свою очередь приводит к увеличению работы трения и момента сопротивления. Например, при увеличении вязкости масла от 5 до 40 ест момент сопротивления возрастает в два раза [24, 30].

Снижение температурного состояния дизеля обычно сочетается со снижением температуры топлива, что затрудняет распыливание и смесеобразование, ухудшает условия самовоспламенения, и сгорания рабочей смеси.

Низкие начальные температуры охлаждающей воды и стенок цилиндра приводят к потерям теплоты, это также отрицательно сказывается на пусковых качествах дизеля.

Дизели с малыми размерами цилиндра отличаются, как правило, более трудным пуском, чем дизели с большими размерами цилиндра. С увеличением диаметра цилиндра уменьшается относительная поверхность охлаждения цилиндра. В пусковой период это обстоятельство приводит к заметному снижению тепловых потерь, что вызывает облегчение и ускорение пуска. Кроме того, с увеличением диаметра уменьшаются удельные потери от утечки газа. Это приводит к относительному повышению давления и температуры в конце сжатия, что также облегчает пуск и обеспечивает возможность пуска при меньшей скорости вращения вала.

В зависимости от конструктивных особенностей, места установки и условий использования можно применить один из следующих способов облегчения пуска холодного дизеля: 1) подогрев холодного дизеля от вспомогательного двигателя; 2) подогрев холодного дизеля при помощи пара или заполнения зарубашечного пространства горячей водой; 3) подогрев периодической работой вхолостую; 4) подогрев воздуха на впуске; 5) подогрев периодическим проворачиванием дизеля электромотором; 6) подогрев смазочного масла;7) подогрев топлива. Кроме того, для обеспечения пуска дизелей используются различные средства [88]. К ним относятся повышение степени сжатия, соответствующий выбор камеры сгорания, установка свечей накаливания. Предусматривают увеличенную пусковую подачу топлива, превышающую до 1,5-2 раз цикловую подачу на номинальном режиме и т.д.

Непосредственным результатом воздействия тепловых потоков к стенкам цилиндра в начальный период работы дизеля является изменение температуры деталей, разности температур и температурных напряжений.

Трущаяся пара поршень-втулка работает весьма в неблагоприятных условиях вследствие наличия высоких неравномерно распределенных температур и трудности обеспечения смазки.

Поршень и втулка неравномерно нагреты по высоте; кроме того, во время прогрева интенсивность нарастания температуры в различных поясах по высоте различна.

Способность дизеля развивать в кратчайшее время полную мощность при обеспечении надежности его работы зависит от возможности в период прогрева обеспечить нормальные условия смазки и охлаждения, в особенности поршня. Условия смазки становятся особенно тяжелыми во время прогрева после пуска холодного дизеля. При низких температурах возрастает вязкость смазочного масла, затрудняется его транспортировка по масляной системе и подача к смазываемым поверхностям.

Вероятность нарушения целостности масляного слоя при длительной работе трущихся поверхностей в условиях полужидкостного или сухого трения вызывает опасность перегрева подшипников, поршня и других деталей. Масло в действительности прогревается значительно медленнее, чем стенки цилиндра и охлаждающая вода. Например, при нагружении дизеля 9ДМ [88] сразу же после пуска на полную мощность стабилизация температуры воды наступает через 5-10 мин., в то время как температура масла продолжает возрастать через час после пуска.

Возможность надежной работы дизеля на полной мощности обеспечивается такой минимальной температурой масла, которая гарантирует поступление сма 24 зочного масла к наиболее удаленным и труднодоступным деталям в достаточном количестве.

Чем меньше меняется вязкость с изменением температуры, тем меньше вязкость масла при низких температурах и тем выше эксплуатационные качества масла, так как его свойства остаются более стабильными с изменением температуры и, следовательно, обеспечивается возможность сокращения времени прогрева. Повышение температуры смазочного масла до 25-30 С оказывается достаточным, чтобы обеспечить нормальные условия смазки.

Вязкость масла зависит не только от температуры, но и от давления. Так как давление в подшипниках дизеля достигает 24,5-49 МПа и более, то рабочая вязкость смазочного масла при данной температуре значительно выше, чем при атмосферном давлении.

С повышением нагрузки и частоты вращения возрастают рабочие давления, что, во-первых, повышает рабочую вязкость масла, во-вторых, затрудняет перетекание между трущимися поверхностями, увеличивает вероятность появления полусухого и сухого трения со всеми вытекающими отсюда последствиями. Потому при одной и той же температуре масла безопасно работать на малой нагрузке, и появляется опасность задиров поршней и расплавления подшипников на полной нагрузке. Очевидно, что вязкость масла и его температура являются основными показателями, определяющими продолжительность прогрева дизеля и возможность нагружения его на полную мощность.

Таким образом, для улучшения эксплуатационных свойств дизеля очень важно выбрать правильный период его работы с момента завершения пуска до принятия полной нагрузки. Поэтому продолжительность прогрева является важнейшим критерием маневренности судовых дизелей и энергетической установки, характеризующим способность их в кратчайшее время после пуска развить полную мощность, а, следовательно, и полную скорость судна при обеспечении безопасной и надежной работы деталей, узлов и систем дизеля. Напряжения в деталях ЦПГ и КТТТМ растут с увеличением скорости смены режима и становятся наибольшим и при пуске холодного дизеля, резком выведении его на полную нагрузку. В этих условиях элементы конструкции подвергаются деформации и интенсивному изнашиванию, меняются зазоры и натяги в сопрягаемых деталях. В деталях, испытывающих действие высоких температур, развиваются термоусталостные явления, приводящие к образованию трещин.

Наряду с режимом прогрева не менее опасен и переходной режим резкого снижения нагрузки и, особенно при аварийной остановке дизеля, до этого работавшего в режиме полного хода с температурой охлаждащей воды 95-98 С, в нем, как и при прогреве, появляются высокие тепловые напряжения вследствие неравномерного остывания деталей ЦПГ. Наибольшие напряжения наблюдаются в первый период остановки дизеля, так как именно для этого периода характерна наибольшая скорость падения температуры нагретых поверхностей.

Если при этой температуре пускать дизель вторично, то возможны образования отложений на поверхности, омываемой маслом, и появления трещин в связи с возникновением усадочных напряжений. Приведенный пример показывает, что для отдельных конструкций охлаждаемых поршней при резком сбросе нагрузки и последующей остановке дизеля (например, при реверсировании) возможно заметное увеличение температуры в отдельных точках поршня и температурных градиентов. При повторном пуске дизеля это могло бы привести к выходу из строя поршня. Для обеспечения нормальной работы поршневой группы следует придерживаться в таких случаях определенных режимов остановки и охлаждения.

Исследование влияния температурного режима охлаждающей воды на тепловое состояние дизеля методом численного моделирования

Схема движения теплоносителя при поверхностном кипении также влияет на интенсивность теплоотдачи, что может быть учтено соответствующим эмпирическим коэффициентом.

Окончательное критериальное уравнение, описывающее процесс теплоотдачи от гильзы цилиндра дизеля в режиме поверхностного кипения автор [33] рекомендует следующую формулу: Схему перехода от пузырькового кипения к пленочному кипению можно представить следующим образом. По мере увеличения перегрева AT = тст -тж растет число центров парообразования. При некотором значении AT число образующихся на единице поверхности паровых пузырей становится так велико, что двухфазный пристенный слой теряет свою устойчивость. Жидкие прослойки между пузырями оказываются очень тонкими, поэтому затрудняется подпитка водой пристенного слоя. Образующийся на поверхности нагрева пар вытесняет остатки воды из пристенного слоя и устанавливается пленочное кипение, при котором вода отделена от греющей стенки сплошной пленкой пара.

Вследствие малой теплопроводности пара термическое сопротивление паровой пленки очень велико, поэтому переход от пузырькового кипения к пленочному кипению сопровождается резким снижением коэффициента теплоотдачи и соответственно скачкообразным повышением температуры теплоотдающей поверхности. Таким образом, наступает кризис теплообмена.

В зоне III температура стенки стабилизируется и практически перестает зависеть от температуры и скорости движения воды. Интенсивность теплоотдачи значительно выше, чем в зоне II, и определяется в основном плотностью теплового потока. Закономерности, характеризующие теплоотдачу в зонах II и III, различны.

Однако непрерывный рост числа центров парообразования приводит к потере гидродинамической устойчивости двухфазного пристенного слоя. При некотором критическом значении плотности теплового потока толщина жидких пленок между пузырями становится настолько мала (паровые пузыри практически касаются друг друга), что затрудняется доступ жидкости из основного объема к теплоотдающей поверхности. При этом образующийся пар вытесняет жидкость из пристенного слоя, у поверхности сплошная паровая пленка и устанавливается так называемое развернутое (объемное, т.е. пленочное) кипение. В результате изменится механизм переноса теплоты, и коэффициент теплоотдачи резко уменьшится, т.е. возникает кризис теплоотдачи. Таким образом, в общем случае охлаждение нагретой поверхности принудительно двигающейся жидкостью может происходить в режиме конвективного теплообмена, в режиме пристенного локального кипения жидкости с конденсацией отрывающихся пузырьков пара в недогретом до температуры насыщения потоке жидкости и в режиме кипения. Наибольшую эффективность работы системы охлаждения можно достигнуть при охлаждении деталей дизеля в режиме пристенного кипения, который характеризуется относительно высоким значением коэффициента теплоотдачи при незначительных затратах энергии на работу системы, а также малым расходом охлаждающей жидкости. Однако указанный режим охлаждения может найти применение лишь на дизелях с большим объемом зару-башечного пространства при тщательной водоподготовке для предотвращения накипеобразования охлаждаемых поверхностей.

Из теории теплообмена через стенку при кипении воды известно, что коэффициент теплоотдачи к кипящей воде является функцией температурного напора Ы = Т0Т-ТЪ (Тст- температура теплоотдающей стенки; Тъ - температура охлаждающей жидкости в зарубашечном пространстве). При увеличении перепада температуры до 25 С коэффициент теплоотдачи возрастает (режим поверхностного кипения), при дальнейшем увеличении АГ коэффициент теплоотдачи падает (режим объемного кипения).

При объемном кипении кипящая вода отделена от поверхности нагрева пленкой пара, которая создает большое тепловое сопротивление. Нежелательно, чтобы зарубашечное пространство дизеля работало при объемном кипении. Уже сам факт снижения коэффициента теплоотдачи нежелателен в таких условиях, так как становится невозможным передать заданное количество теплоты от стенки цилиндра к охлаждающей воде. Если в момент кризиса не снизить плотность теплового потока, то это может привести к разрушению поверхности стенки цилиндра вследствие чрезмерного повышения ее температуры. Кроме того, режим пленочного кипения может привести к образованию паровых пробок в контуре охлаждении и срыву циркуляции. Также установлено, что во время кризиса за доли секунды температура материала поверхности нагрева возрастает на сотни граду 99

сов. В настоящее время уровень тепловой напряженности дизелей возрос до такой степени, что в отдельных зонах охлаждаемых поверхностей корпусных деталей локальные тепловые нагрузки могут быть близкими к критическим. Судовые дизели эксплуатируются на переменных режимах, поэтому возможно многократное или периодическое достижение критического состояния, при переходе через которое охлаждаемые детали подвергаются мощным тепловым ударам. Таким образом, переход от поверхностного кипения к объемному кипению приводит к нарушению режима охлаждения и делает такой режим не пригодным для форсированных деталей. Поэтому при эксплуатации дизеля нужно стремиться к тому, чтобы охлаждающая жидкость в зарубашечном пространстве находилась в режиме пузырькового кипения. Чтобы вновь перейти от пленочного кипения к пузырьковому необходимо снизить температуру греющей стенки или увеличить давление в системе выше давления насыщения. Пленочный режим кипения может привести к аварийной ситуации дизеля. Однако режим пристенного кипения воды с последующей конденсацией пузырьков пара вблизи поверхности деталей, ограничивающих зарубашечное пространство, приводит к их кавитационному разрушению.

Исключение кипения и парообразования в полостях охлаждения можно достичь увеличением давления в системе выше давления насыщения.

Таким образом, используя закрытую систему путем паровоздушного клапана можно повысить давление системы и температуру жидкости до 120 С. Это свойство может быть использовано для повышения температурного режима в системах охлаждения дизелей

Обзор исполнительных механизмов и терморегуляторов с твердым наполнителем и электронагревателем

Из рис. 3.7, следует, что основными элементами ИМ являются термосиловой датчик и электронагреватель. Применение термосилового датчика в ИМ возможно, если его статические и динамические характеристики обеспечивают получение необходимых для терморегулятора или СО параметров.

Под влиянием изменения температуры среды происходит изменение температуры термосилового датчика, изменение объема его наполнителя и перемещение штока. Процесс перемещению штока от изменения температуры обосновывает статическая характеристика, которая может быть определена по следующему выражению [219]: Ah= UA l Мн Аср н-AT, где Мя - соотношение компонентов в смеси наполнителя, %; Лср - объемное расширение наполнителя, среднее значение, %; GH - масса наполнителя, г; рц - плот-ность церезина, г/см ;

Статическая характеристика термосилового датчика (рис.3.8) плавно нелинейная и имеет петлю гистерезиса, нелинейность обусловлена свойствами состав веществ твердого наполнителя, а гистерезис - в основном свойствами РТД.

Следовательно, термосиловой датчик обладает нечувствительностью по температуре и ходу штока и имеет переменный передаточный коэффициент, который увеличивается с повышением температуры.

Анализ передаточного статического коэффициента показывает, что применение этого наполнителя предоставляет конструктору много возможностей воз 153 действия на статику датчиков. Изменением GH, Мн, d, Лср может быть получено семейство статических характеристик для каждого из этих переменных.

Динамические характеристики исполнительного механизма с твердым наполнителем и электронагревателем устанавливают зависимость перемещения штока во времени от изменения температуры [126]. Изменение температуры в дизеле может задаваться методом переходных функций или частотным методом. Эти методы широко применяются как средство аналитического и экспериментального исследования. Однако для экспериментального исследования объектов, обладающих инерционностью, частотный метод не получил широкого распространения.

Дифференциальное уравнение движения штока ИМ получим с учетом следующих положений. В установившемся режиме температуры среды Тс, окружающей термосиловой датчик (с.д.), баллона Тб, наполнителя Тя и упругого разделителя Гу.р равны: Тс = Тб = Тя = Гу.р., где Тс - температура окружающей среды, С; Тс = Гэн+ Г0.в, где Тэн - температура электронагревателя, С; Гав - охлаждающей воды, С.

В переходном процессе (при повышении температуры среды) ИМ будет аккумулировать подводимую теплоту, что приведет к повышению его температуры.

Теплота, подводимая от окружающей среды к баллону датчика 2поД, пропорциональна поверхности баллона SQ И разности температур Тс -Тим. Конкретные условия в процессе теплообмена учитываются при этом коэффициентом теплопередачи а , а уравнение имеет вид dQmd = aUMS6(TcUM)dr.

Процесс аккумулирования тепла запишется уравнение dQaKK = Gcdccddtcd. Пренебрегая теплообменом термосилового датчика с сопрягаемыми с ним элементами и окружающей средой (Q0T= 0) и считая постоянным в пределах изменения температуры оссд, имеем dQaKK=dQnod, (3.9)

При выводе уравнения термосиловой датчик рассматривался как тепловой аккумулятор со среднеприведеннои температурой, имеющий приведенную массу и приведенную удельную теплоемкость. Если предположить, что коэффициент теплопередачи баллона достаточно велик и не учитывать аккумулирование теплоты в РТД, формулу (3.39) можно отнести к наполнителю, т.е. она примет вид

Второе допущение более правомерно для мебранных датчиков с их надежным контактом между мебраной и втулкой и относительно поршневого с меньшей поверхностью контакта мебраны с наполнителем. РТД поршневых датчиков, размещенная в основном по оси баллона, оказывает более существенное влияние на процесс аккумулирование теплоты в термосиловом датчике.

Переходная функция при единичном скачкообразном возмущении на входе и время переходного процесса находятся решением линейного неоднородного дифференциального уравнения (3.12) и имеют вид Такой термосиловой датчик можно рассматривать как элемент, составленный из двух последовательно соединенных звеньев: апериодического и звена чистого запаздывания. Уравнение динамики звена с учетом запаздывания имеет вид передаточная функция звена, не обладающего запаздыванием; Wt{s) = e st - передаточная функция звена чистого запаздывания,

Выявление реальной функции переходной проводимости датчиков, постоянной времени переходного процесса возможно только экспериментальными исследованиями.

Регулирование охлаждения дизеля с помощью обычного ТРГ с твердым наполнителем определяется исключительно температурой воды. Такое регулирование можно разделить на три рабочих диапазона:

Метод оптимизации температурного режима деталей ДВС путем модернизации топливной системы. Автоматическое изменение угла опережения впрыска топлива в судовых дизелях

Обстановка в реальной перемешиваемой гетерогенной системе весьма сложна. Концентрации различных компонентов, измеренные через короткие интервалы времени или через участки определенной длины, не остаются постоянными. Одновременно протекают процессы молекулярной диффузии, турбулентной массопередачи и химического взаимодействия. Чтобы делать какие-либо предсказания в отношении поведения рассматриваемой системы, необходимо использовать упрощенную модель.

Таким образом, присадка водорода или газа в топливо ДВС в небольших количествах - до 0,1% от массы топлива может быть использовано как эффективное средство улучшения рабочего процесса ДВС, что приводит к улучшению температурного режима деталей дизеля на всех режимах его работы. Это в свою очередь приводит к повышению технико-экономических и экологических показателей транспортных двигателей.

Организация рабочего процесса дизеля, работающего на водороде, или с его добавкой к другим топливам повышает технико-экономические показатели дизеля, улучшаются температурные режимы ЦПГ и требует проведения исследовательских работ.

Стоит отметить, что стоимость производства водорода при всех известных технологиях все еще высока. Несмотря на это, внимание к водороду не ослабевает. Водород, по мнению большинства экспертов, является наиболее приемлемым энергоносителем для топливных элементов, которые по прогнозам могут потеснить на транспортных двигателях внутреннего сгорания.

Исследования САРТ ДВС показывают, что обеспечение оптимальных режимов связано с рядом трудностей, так как при уменьшении неравномерности значительно ухудшается качество работы системы. При статических автоматических регуляторах температуры (APT) простейших схем, обычно применяемых в САРТ, невозможно обеспечить поддержание оптимальных режимов двигателя и тем более получить отрицательную неравномерность системы.

Анализ статических и динамических характеристик и параметров САРТ и их элементов показывает, что особенностью этих характеристик (значительная нелинейность) является основной причиной невысокого качества и неустойчивой работы САРТ. Для повышения их качества необходимо применять дополнительные методы и устройства. Применение электрических элементов позволяет использовать известную теорию инвариантности в системе автоматического регулирования температуры дизеля, так как возмущение доступно измерению.

Известно, что для обеспечения требуемого качества регулирования в период поступления возмущающих воздействий можно выполнить синтез структуры САРТ с использованием последовательных и встречно-параллельных корректирующих устройств, что в ряде случаев существенно повышает порядок дифференциального уравнения, которым описываются переходные процессы системы. Сложность решения задачи состоит в том, что при таком синтезе САРТ ее функциональные и регулирующие устройства будут реагировать на поступившее возмущающее воздействие не сразу в момент поступления его на объект, а с некоторым запаздыванием, которое определяется инерционностью объекта по каналу данного возмущающего воздействия. Таким образом, теряется оперативность в принятии мер по

248 выработке регулирующего воздействия на объект, компенсирующего нежелательное влияние возмущающего воздействия на регулируемую координату с момента поступления на объект возмущающего воздействия X. Несвоевременность принятия таких мер приводит к ухудшению качества регулирования.

Если синтезировать такую систему, которая начинала бы вырабатывать дополнительное регулирующее воздействие на регулируемую величину в момент поступления на объект возмущающего воздействия, то при соответствующем выборе закона формирования дополнительного регулирующего воздействия можно полностью нейтрализовать нежелательное воздействие возмущения на регулируемую величину, т.е. синтезировать нечувствительную, инвариантную данному возмущающему воздействию систему.

Таким образом, сущность синтеза инвариантных систем состоит в том, чтобы параллельно естественному пути прохождения на объект создать искусственное компенсирующее воздействие, которое оказывает на регулируемый параметр такой же эффект по значению, как и возмущающее воздействие, но противоположный по знаку.

Структурная схема разомкнутой системы: Хр - регулирующее воздействие, Ху - управляющее воздействие

Как известно, повышение точности регулирования требует увеличения коэффициента усиления регулятора, следствием чего является уменьшение запаса и даже полная потеря устойчивости системы. В этой части определенные преимущества имеют разомкнутые системы, которые не подвержены автоколебаниям, так как в них отсутствует обратная связь, образующая замкнутый контур. Рассмотрим схему (рис. 4.20), для которой можно записать передаточные функции регулятора и объекта относительно регулирующего воздействия.

Если передаточную функцию регулятора выбрать равной обратной передаточной функции объекта то будет выполнено тождество X = Ху, т.е. регулируемая величина будет точно следовать за изменением управляющего воздействия.

Однако в таких системах возможно отклонение регулируемой температуры от заданного значения в результате действия на объект внешних возмущений. Как показывает анализ литературы [201, 3, 70, 76,30, 179.], избежать этого можно, применив принцип регулирования по возмущению. Структурная схема системы, работающей по этому принципу при одном возмущении, показана на рис. 4.21.

В структурной схеме системы, работающей по принципу возмущения (рис.4.22), дополнительный регулятор WB_K(s) на основании измерения возмущения воздействует на регулируемый объект с тем, чтобы не допустить отклонения регулируемой температуры.

Как правило, в практике С APT дизелей принцип компенсации возмущений целесообразно совмещать с принципом регулирования по отклонению регулируемой температуры, которая будет называться комбинированной. Комбинированное регулирование - основной способ реализации условия инвариантности регулируемой величины от возмущения. Он нашел широкое применение в практике для уменьшения влияния сильного возмущения. Ниже рассмотрим возможность применения этого способа в САРТ ДВС.