Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1 Перспективы применения метанола в качестве топлива для дизелей.. 13
1.2 Анализ работ по применению метанола в дизелях и способов его подачи в цилиндр двигателя 18
1.3 Социально-экологические аспекты применения МЭРМ в качестве топлива для дизелей 25
1.4 Анализ работ по применению рапсового масла и МЭРМ в дизелях ... 28
1.5 Особенности применения метилового эфира рапсового масла в качестве топлива для дизелей 32
1.6 Обзор математических моделей процесса сгорания в цилиндре двигателя 36
1.7 Задачи исследований 42
2 Разработка уточненной математической модели процесса сгорания в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ 43
2.1 Расчёт закона топливоподачи 43
2.2 Расчёт процесса тепловыделения в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ 49
2.3 Расчёт диаграммы давления в цилиндре дизеля 60
3. Методика исследования рабочего процесса дизеля 2ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ .
3.1 Объект испытаний 67
3.2 Методика проведения стендовых испытаний по исследованию рабочего процесса тракторного дизеля 2Ч 10,5/12,0 с применением метанола и МЭРМ с двойной системой топливоподачи 69
3.3 Особенности экспериментальной установки для исследования двигателя 2Ч 10,5/12,0 модернизированного для работы на метаноле и МЭРМ с использованием двойной системы топливоподачи 73
3.4 Методика обработки результатов исследований и ошибки измерений 79
Исследование рабочего процесса дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла с ДСТ
4.1 Определение величины запальной порции МЭРМ дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе с ДСТ 84
4.2 Определение оптимальных установочных углов опережения впрыскивания метанола и МЭРМ в цилиндр дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе с ДСТ 86
4.3 Влияние применения метилового спирта и МЭРМ на процесс сгорания в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 с ДСТ. 94
4.4 Особенности показателей процесса сгорания и характеристик тепловыделения дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ 100
4.4.1 Влияние нагрузочного режима работы двигателя 2Ч 10,5/12,0 на показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделения при использовании метанола и МЭРМ с ДСТ 100
4.4.2 Влияние частоты вращения двигателя 2Ч 10,5/12,0 на показатели процесса сгорания и характеристики тепловыделения при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ 108
4.5 Мощностные и экономические показатели дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ 111
4.5.1 Влияние нагрузочного режима работы на мощностные и экономические показатели дизеля 2Ч 10,5/12,0 при использовании метанола и МЭРМ с ДСТ... 111
4.5.2 Влияние частоты вращения на мощностные и экономические показатели дизеле 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ.. 116
4.6 Экологические показатели дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ 118
4.6.1 Влияние нагрузочного режима на экологические показатели работы дизеля 2Ч 10,5/12,0 с применением метанола и МЭРМ 118
4.6.2 Влияние частоты вращения на экологические показатели работы дизеля 2Ч 10,5/12,0 с применением метанола и МЭРМ 1 5
Разработка макетного образца трактора т-30 а 80 для работы на метаноле и мэрм с использованием ДСТ 125
6 Технико-экономическая оценка эффективности использования метанола и мэрм с дст в дизеле 2ч 10,5/12,0 132
Общие выводы 140
Основные условные обозначения и сокращения 142
Литература
- Анализ работ по применению рапсового масла и МЭРМ в дизелях
- Расчёт процесса тепловыделения в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ
- Особенности экспериментальной установки для исследования двигателя 2Ч 10,5/12,0 модернизированного для работы на метаноле и МЭРМ с использованием двойной системы топливоподачи
- Особенности показателей процесса сгорания и характеристик тепловыделения дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ
Введение к работе
Актуальность темы. Практически в любой области промышленности и сельского хозяйства при использовании автотракторного парка двигатели внутреннего сгорания (ДВС) играют важнейшую роль как энергетическая основа транспортных и другого вида установок. Однако постоянно истощающиеся запасы нефтяного топлива, а также ухудшающаяся с каждым днём экологическая обстановка во всём мире, и в нашей стране, приводят к необходимости отыскания альтернативных топлив ненефтяного происхождения.
Интерес, в первую очередь, представляют топлива для производства которых, в промышленных масштабах, в России имеются большие запасы сырьевых ресурсов (природный газ, уголь), в том числе возобновляемые (растительные остатки, бытовые отходы). К таким топливам можно отнести спирты, в особенности метиловый, а также топлива, получаемые из растительного сырья.
Наиболее эффективным способом применения метанола в ДВС на сегодняшний день является подача его непосредственно в цилиндры дизеля с использованием двойной системы топливоподачи (ДСТ) и воспламенением запальной порцией высо-коцетанового топлива. В качестве запальной порции возможно применение метилового эфира рапсового масла (МЭРМ), поскольку он является возобновляемым топливом растительного происхождения.
Таким образом, изучение рабочих процессов дизелей, переоборудованных для работы на альтернативных возобновляемых топливах (метиловый спирт и метиловый эфир рапсового масла), является актуальной научной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение, поскольку это позволяет полностью заменить нефтяное моторное топливо, существенно улучшить экологические показатели, путем снижения токсичности и дымности отработавших газов.
Объект диссертационного исследования – тракторный дизель 2Ч 10,5/12,0 воздушного охлаждения с полусферической камерой сгорания, работающий на метиловом спирте и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием двойной системы топливоподачи.
Предмет диссертационного исследования – показатели процесса сгорания и тепловыделения в цилиндре дизеля, а также мощностные, экономические и экологические показатели.
Цель. Исследование рабочего процесса дизеля 2Ч 10,5/12,0 с полусферической камерой сгорания в поршне при работе на метиловом спирте и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием двойной системы топливоподачи, изучение их влияния на процесс сгорания в цилиндре, мощностные, экономические и экологические показатели работы, экономию нефтяного топлива.
Научную новизну работы представляют:
– результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения метилового спирта и метилового эфира рапсового масла при впрыскива-3
нии (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием двойной системы топливоподачи на показатели процесса сгорания и тепловыделения в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0, а также экономические, мощностные и экологические показатели;
– уточненная математическая модель расчета процесса тепловыделения в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метиловом спирте и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием двойной системы топливоподачи;
– результаты расчета показателей процесса тепловыделения и построение расчётной индикаторной диаграммы дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метиловом спирте и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием двойной системы топливоподачи;
– рекомендации по улучшению экономических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 путем оптимизации регулировок по установочному углу опережения впрыскивания топлива и величине запальной порции при работе дизеля на метиловом спирте и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием двойной системы топливоподачи.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований в том, что исследован рабочий процесс дизеля с полусферической камерой сгорания в поршне при работе на метиловом спирте и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием ДСТ, их влияние на процесс сгорания в цилиндре, мощностные, экономические и экологические показатели работы, экономию нефтяного топлива. Уточненная математическая модель расчета процесса, дальнейшие расчеты и построения позволяют значительно уменьшить затраты времени и средств при дальнейших исследованиях. Предложенные рекомендации позволяют производить модернизацию уже существующих дизелей для работы на альтернативных топливах.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Вятской, Нижегородской, Чувашской государственных сельскохозяйственных академий, при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по образовательным программам 35.03.06, 23.03.03, 35.04.06, 23.04.03.
Экономическая эффективность. Экономическая эффективность применения метанола и МЭРМ составляет 6885 руб./год за счет снижения ущерба, наносимого токсичными компонентами, выбрасываемыми с ОГ и 33980 руб./год за счет применения более дешевого топлива на один двигатель при годовой наработке в 500 моточасов (в ценах на январь 2017 года).
Положения выносимые на защиту:
– результаты лабораторно-стендовых и теоретических исследований влияния применения метилового спирта и метилового эфира рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием двойной системы топливоподачи на показатели процесса сгорания и тепловыделения в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0, а также экономические, мощностные и экологические
показатели;
– уточненная математическая модель расчета процесса тепловыделения в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метиловом спирте и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием двойной системы топливоподачи;
– результаты расчета показателей процесса тепловыделения и построение расчетной индикаторной диаграммы дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метиловом спирте и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием двойной системы топливоподачи;
– рекомендации по улучшению экономических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 путем оптимизации регулировок по установочному углу опережения впрыскивания топлива и величине запальной порции при работе дизеля на метиловом спирте и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с использованием двойной системы топливоподачи.
Методология и методы исследования: применялись современные методы экспериментальных и теоретических исследований, заключающиеся в проведении стендовых испытаний дизеля 2Ч 10,5/12,0 на современном научном оборудовании при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла с двойной системой топ-ливоподачи, с дальнейшей обработкой данных по передовым методикам ведущих НИИ и ВУЗов, основанных на применении современных теорий рабочих процессов ДВС.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основываются на применении:
апробированных методов и средств исследования при проведении стендовых испытаний дизеля.
известных приемов обработки экспериментальных данных, полученных при стендовых испытаниях.
Личный вклад автора. Автором выполнен анализ публикаций по теме диссертационного исследования и намечен план работы. Автор принял участие в разработке уточнённой математической модели процесса сгорания топлива при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла. Автором был выполнен полный цикл стендовых испытаний дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и метиловом эфире рапсового масла при впрыскивании (в качестве запального топлива) через штифтовую форсунку с ДСТ с последующей обработкой результатов, их анализом, представлением материалов в публикациях и выступлениях на конференциях. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период с 2012 г. по 2017 г.
Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 6-ой, 7-ой, 8-ой, 9-ой, 10-ой Международных научно-практических конференциях «Наука – Технология – Ресурсосбережение», 2013-2017 гг. (ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, г. Киров); 15-ой, 17-ой, 18-ой и 19-ой Международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства»,
2013, 2015, 2016, 2017 гг. (ФГБОУ ВО Марийский ГУ, Йошкар-Ола); Международной научно-практической конференции аспирантов и молодых учёных «Знания молодых: наука, практика и инновации», 2013…2016 гг. (ФГБОУ ВО Вятская ГСХА, г. Киров); Всероссийской ежегодной научно-практической конференции «Общество, наука, инновации», 2013, 2014 гг. (ФГБОУ ВПО Вятский ГУ, г. Киров); XI Всероссийской научно – практической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Молодёжь и инновации», 2015 г. (ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА, г. Чебоксары), VII Всероссийской научно-практической конференции «Основные направления развития техники и технологии в АПК», 2015 г. (ГБОУ ВО НГИЭУ, г. Княгинино); 2-м этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых учёных высших учебных заведений МСХ РФ, 2016 г. (ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, г. Уфа); 3-м этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых учёных высших учебных заведений МСХ РФ, 2016 г. (ФГБОУ ВО РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева, г. Москва), Всероссийской научно-практической конференции «Современное состояние прикладной науки в области механики и энергетики», 2016 г. (ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА, г. Чебоксары).
Публикации результатов исследований. Основные результаты и положения диссертационной работы опубликованы в 37 печатных работах, включая монографию объёмом 8,6 п.л., 6 статей в изданиях из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, объёмом 1,5 п.л. и 30 статей, входящих в материалы Международных и Всероссийских конференций с общим объёмом 6 п.л. Без соавторов опубликовано 4 статьи общим объемом 0,75 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 168 страницах, в том числе 134 стр. текста, содержит 52 рисунка и 12 таблиц. Список литературы изложен на 24 стр., включает 186 наименований, в том числе 12 на иностранных языках.
Анализ работ по применению рапсового масла и МЭРМ в дизелях
Работы, посвященные изучению применения метанола в качестве топлива для дизелей, проводились как в нашей стране, так и за рубежом [1, 3, 4, 97, 98, 101, 105, 107, 132, 134, 154, 168, 175 - 177, 181, 182, 184, 185]. Анализ данных работ показал, что они ведутся в различных направлениях, которые включают в себя создание новых моделей дизелей, работающих только на метаноле, и модернизацию двигателей, выпускаемых серийно и переоборудованных для работы на метаноле без значительных конструктивных изменений последних. Последнее является более приоритетным направлением, поскольку позволяет конвертировать двигатели, уже находящиеся в эксплуатации. Среди различных способов использования метанола в серийных дизелях можно выделить три основных [99, 129, 165, 169]: 1. Использование эмульсий спирта с дизельным топливом; 2. Подача метанола на впуске во впускной трубопровод; 3. Подача метанола непосредственно в цилиндр дизеля с использованием двойной системы топливоподачи и воспламенением от запального топлива.
Первый способ обуславливает приготовление эмульсии метанола с ДТ для подачи его в цилиндр двигателя через штатную топливную систему. Он позволяет применять метиловый спирт в качестве топлива, не внося изменений в конструкцию двигателя.
В соответствии с данным способом подачи метанола в Вятской ГСХА проводились работы по исследованию рабочих процессов в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноло-топливной эмульсии (МТЭ) [98].
В данной работе проводились исследования по влиянию различных присадок на стабильность метаноло-топливной эмульсии (МТЭ). Было установлено, что наибольшая стабильность эмульсии достигается при использовании присадки сукцинимид С-5А. При этом стабильность коалесценции составила от 4 до 6 суток. С использованием данной присадки удалось замещать до 35 % дизельного топлива метанолом. Увеличение содержания метанола выше 35 % нецелесообразно из-за высокой жесткости процесса сгорания. С использованием данной МТЭ авторам удалось достичь экономии ДТ до 23 % при сохранении мощностных показателей на уровне серийного дизеля. Кроме того, удалось добиться значительного снижения выбросов основных токсичных компонентов, в частности сажи до 72 %.
Аналогичная работа с применением МТЭ в дизельном двигателе 4Ч 11,0/12,5 также проводилась в Вятской ГСХА [97]. В данной работе был определен оптимальный состав МТЭ, состоящий из 25 % метанола, 0,5 % сукцинимида С-5А, 7 % воды и 67,5 % дизтоплива. При этом увеличение содержания метанола в эмульсии невозможно в связи с повышением «жесткости» и пропусками воспламенения при работе дизеля. Согласно данной работе применение метанола в смеси с ДТ привело к увеличению скорости тепловыделения в фазе быстрого и основного горения при большой частоте вращения. Увеличение скорости тепловыделения согласно исследованиям проведённым авторами привело к повышению «жесткости» процесса сгорания, росту максимального давления сгорания и как следствие росту максимальной осредненной температуры газов в цилиндре дизеля. Несмотря на это, авторам удалось добиться нормальной работы двигателя на всех скоростных и нагрузочных режимах. Кроме того, применение данной эмульсии позволило значительно снизить дымность отработавших газов дизеля.
Другим способом подачи метанола является его подача во впускной трубопровод. Для экспериментальной проверки данного способа в Уфимском ГАТУ была создана опытная установка на базе дизеля 1Ч 12/14 с камерой сгорания ЦНИДИ [146]. В данных исследованиях добавка метанола привела к росту «жесткости» работы дизеля на всех нагрузочных режимах из-за высокой скорости сгорания спирта. Такой способ топливоподачи также приводит к увеличению максимального давления цикла из-за роста периода задержки воспламенения. При этом авторы утверждают, что снижение максимального давления можно обеспечить путём уменьшения угла начала подачи топлива.
В данной работе добавка метанола составила до 50 % от общего количества топлива, а экономия дизельного топлива достигает 35 % [146].
В Тверской ГСХА проводились работы по улучшению экологических и эффективных показателей дизелей с наддувом путем подачи метанола на впуске [149]. В качестве объекта исследований был выбран дизель 6ЧН 13/11,5 (СМД – 62). При этом на данном двигателе перед турбокомпрессором во впускном тракте была установлена пневматическая форсунка. Метанол распыливался через форсунку при помощи сжатого воздуха, для подачи которого испльзовался компрессор (рисунок 1.3).
В результате проведенных испытаний авторам удалось добиться замещения дизельного топлива метанолом в рабочем цикле на 21%, при сохранении динамических нагрузок на уровне штатного дизеля. При этом максимальная подача метанола составила 14 кг/ч. С увеличением подачи метанола свыше данного значения происходит рост скорости нарастания давления за допустимые пределы. Расход дизельного топлива при этом снизился с 25,36 до 20 кг/ч или на 21 %, также снизились температура наддувочного воздуха на 6 С и температура двигателя с 87 до 83 С. При этом удельный эффективный расход дизельного топлива составил 212 г/(кВтч), что на 24% меньше чем на серийном дизеле [149].
Расчёт процесса тепловыделения в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ
В соответствии с этим, для описания вышеизложенных процессов, существуют различные математические модели, позволяющие в той или иной степени описать процесс сгорания в цилиндре двигателя. Все уравнения описывающие процесс сгорания в зависимости от используемых принципов расчета можно поделить на две группы. К первой группе относятся математические модели, которые дают аналитическое описание формы кривой характеризующей процесс выгорания топлива. [2, 11, 13, 20, 25, 80, 81, 116, 128, 157]. В данных моделях, как правило, не раскрывается суть физико-химических процессов смесеобразования, испарения и сгорания топлива. Но при этом устанавливается эмпирическая зависимость между геометрической формой характеристики тепловыделения и исходными параметрами рабочего процесса.
Ко второй группе относятся математические модели использующие кинетические уравнения, которые позволяют описывать различные физико-химические процессы протекающие в цилиндре дизеля. [12, 22, 58, 75, 76, 82, 137, 138, 152]. При данном способе описания процесса сгорания имеется возможность оценить влияние различных факторов на данный процесс. Также использование общих законов теплопередачи, диффузии, химической кинетики позволяют разработать обобщенную математическую модель, с использованием минимального количества эмпирических коэффициентов. Однако применение общей теории тепло-массообмена и химической кинетики к процессам сгорания вызывает затруднения связанные со сложностью физико-химических явлений протекающих в цилиндре дизеля.
С точки зрения того как описывается пространство цилиндра математической моделью и какие уравнения при этом используются, все известные модели можно также поделить на четыре группы: однозонные модели, двухзонные, многозонные и модели турбулентного сгорания [155].
Расчёт процесса сгорания с использованием однозонных математических моделей предполагает, что во всём объёме цилиндра термодинамические параметры рабочей смеси и её состав одинаковы. Основным уравнением при этом является уравнение первого закона термодинамики о\т-суТ) = dQw± dQx-pdV (11) Процесс сгорания в данных моделях представлен кривой скорости тепловыделения dx/dcp. Существуют различные зависимости описывающие процесс сгорания с использованием однозонной математической модели. Большинство из них аппроксимируются обобщённым законом плотности вероятности непрерывной случайной величины dz _у\ ( Г vTl і ҐППІЛ pvr\ пі V dtp tr Р\ (1.2) где nh рі- некоторые параметры определяемые для каждой конкретной модели сгорания; ЛІ, Bj- константы, определяемые при Xmax = 1 Главным недостатком моделей, описывающих сгорание при помощи аппроксимации функции тепловыделения, является отсутствие их связи с процессом топливоподачи. Поскольку однозонные модели позволяют определять лишь средние по объему значения термодинамических параметров рабочей смеси, то расчет содержания токсичных компонентов с их использованием становится практически невозможным и носит лишь эмпирический характер.
Двухзонные математические модели обычно используют для расчёта сгорания топлива в двигателях с принудительным воспламенением. При расчете по данной модели объем камеры сгорания делится на две зоны: зону продуктов сгорания и зону свежей топливовоздушной смеси. При этом каждая зона является однородной по своему составу и термодинамическим параметрам. Давление газов внутри всего объема цилиндра и в каждой зоне принимается одинаковым, а их температуры различаются.
Основным уравнением при расчете по данной модели является уравнение первого закона термодинамики, учитывающее изменение массы рабочего тела в зонах d{mxCV Tх) = ij dml — dQW2 — p dVx (1-3) d(m2CV T 2) = i2- dm2 + dQ 2 - dQW2 - p- dV2 Где в формуле (1.3) индексами «1» и «2» обозначены параметры соответствующие зоне свежей смеси и зоне продуктов сгорания соответственно.
Более сложными являются многозонные модели сгорания топлива, но они позволяют получить значения термодинамических параметров в каждой локальной зоне отдельно. При этом предполагается, что между всеми элементами системы происходит тепло - и массообмен, а давление газов во всём цилиндре и в каждой объемной зоне одинаково.
Тогда для многозонной модели сгорания уравнение первого закона термодинамики с учетом массообмена, теплообмена и испарения топлива запишется где n – число зон, прилегающих к i-ой зоне; m – число участков поверхности, прилегающих к i-ой зоне; dQij– теплообмен с соседними зонами. Определенной трудностью при расчете по данной модели является то, что необходимо знать как распределяется топливо по объему цилиндра в каждый момент времени. Однако важным преимуществом многозонной модели сгорания является достаточно высокая точность оценки токсичности отработавших газов.
Наиболее сложными для расчёта являются модели турбулентного сгорания поскольку они требуют применения специальных методов решения и огромной вычислительной мощности. Однако потенциально эти модели обладают наиболее высокой точностью, в том числе при оценке токсичности отработавших газов [167].
Наиболее простыми среди указанных математических моделей являются однозонные модели. К ним относятся эмпирические и полуэмпирические модели выгорания, предложенные в работах И.И. Вибе, Е.А. Лазарева, С.И. Погодина, Н.Х. Дьяченко, Н.Ф. Разлейцева, Д.И. Портнова, Б.П. Пугачева, В.И. Одинцова и др. Наибольшее распространение среди данных математических моделей получила зависимость профессора И.И. Вибе. Вычисления по данной зависимости основываются на полученных экспериментальных данных, поэтому позволяют получить довольно точный результат.
Особенности экспериментальной установки для исследования двигателя 2Ч 10,5/12,0 модернизированного для работы на метаноле и МЭРМ с использованием двойной системы топливоподачи
Для моделирования процессов сгорания, протекающих в цилиндре дизеля, получение экспериментальных кривых тепловыделения и d/d в функции угла поворота коленчатого вала не является определяющей задачей. Наиболее важно установить теоретическую зависимость процесса сгорания топлива от различных параметров, определяющих режим работы двигателя. К этому также подталкивает необходимость оптимизации параметров рабочего процесса и прогнозирования показателей работы двигателей особенно с применением нетрадиционных моторных топлив. Все это приводит к созданию математической модели позволяющей наиболее точно описывать процесс сгорания с учетом максимального количества факторов [58].
При этом одной из наиболее удачных моделей, на наш взгляд, является математическая модель, предложенная А.И. Филипковским [158]. Эта модель основана на зависимости, полученной профессором И.И. Вибе, поэтому она отличается простотой вычислений, но кроме того учитывает факторы, наиболее влияющие на процесс сгорания, такие как интенсивность впрыскивания и скорость испарения топлива, воздушно-топливное соотношение, режим работы двигателя и др.
Согласно модели Вибе тепловыделение в интегральной форме описывается уравнением /r = l-exp[C-rffl+1], (2.15) где C = -4,605 - постоянный коэффициент; T=TITZ. В модели, предложенной А.И. Филипковским, параметр т, определяющий форму кривой тепловыделения, является переменной величиной в функции т и определяется в зависимости от показателей процесса испарения и продолжительности сгорания как т = \0-Тт- \-ТТш s (2.16) где Тт - параметр, определяющий момент достижения максимальной скорости сгорания. При этом продолжительность сгорания xz определяется из условия полного выгорания крупных капель топлива, поступивших в конце впрыскивания. В связи с переменной величиной параметра т функция тепловыделения в дифференциальной форме запишется как = -C-(m+l)m-exp ( Cm+l)-Km/Tz, (2.17) где Кш = 1-10Т2 -In Г / (/п+1). Анализ функций тепловыделения, представленных в работах [95, 103], показал, что в общем случае при горении метанола с запальным топливом весь процесс сгорания можно разбить на два характерных участка. На первом интервале процесс сгорания отличается высокой скоростью тепловыделения, что обусловлено большой скоростью выгорания паров метанола, в том числе образовавшихся за период задержки воспламенения. При этом за этот период сгорания выделяется порядка 70 % общего количества теплоты. Второй участок кривой тепловыделения имеет более пологую форму и сильно растянут по времени. Такая форма кривой тепловыделения обусловлена прежде всего диффузионным горением запального МЭРМ и догоранием крупных капель метанола несгоревших в начальный период.
В связи с особенностями процесса тепловыделения при горении метанола и МЭРМ с ДСТ нами было предложено дифференциальную характеристику тепловыделения описывать двумя кривыми, соответствующими начальному периоду горения и периоду догорания (рисунок 2.5). При этом за основу взята модель, предложенная А.И. Филипковским. Тогда в функции угла поворота коленчатого вала уравнения скорости тепловыделения для каждого из характерных периодов сгорания запишутся как где E и D множители, связывающие оба периода тепловыделения и определяемые в зависимости от доли теплоты, выделившейся на каждом из двух участков сгорания. В модели, предложенной А.И. Филипковским, расчет тепловыделения проводится от момента начала топливоподачи. Поскольку при работе дизеля на метаноле и запальном МЭРМ начало воспламенения определяется установочным углом начала подачи запального топлива, то весь процесс тепловыделения отсчитываем от момента подачи запального МЭРМ. Тогда
Параметр гт определяет не только момент достижения максимума скорости тепловыделения, но также момент отрыва кривой тепловыделения, т.е. начало горения. Поэтому в данной модели предложено этот параметр определять в зависимости от периода задержки воспламенения cph используя следующие уравнения: гм = 2,7-0,/0 zl+0,2, (2.23) п2 = 2,7 / Фг2 + 0,2. (2.24) Поскольку запальным в данной системе топливоподачи является МЭРМ, то период задержки воспламенения рассчитываем для этого топлива. При этом для расчета п.з.в. предлагаем использовать формулу Толстова, представленную в работе [138] где TC – температура в цилиндре в момент топливоподачи; pC – давление в цилиндре в момент топливоподачи; Ea – энергия активации запального топлива; CN – цетановое число запального топлива.
Полагаем, что процесс сгорания топлива в двигателе при работе на метаноле и запальном МЭРМ является суммой двух процессов горения, развивающихся по различным механизмам (рисунок 2.5). Одновременно происходит кинетическое горение паров метанола, поступивших в цилиндр дизеля и испарившихся к моменту начала воспламенения, описываемое кривой (dx,/d(p)i и диффузионное горение запального топлива одновременно с догорающими каплями метанола, не успевшими испариться до начала воспламенения (кривая (d%/d(p)ii). В этом случае площадь фигуры, ограниченной между двумя дифференциальными кривыми тепловыделения (ег„), будет численно равна доле теплоты, которую несет в себе топливо, испарившееся к началу горения.
Особенности показателей процесса сгорания и характеристик тепловыделения дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ
При установочных углах МЭРМ, равных 26, 30, 34, 38, пик давления газов в цилиндре равен, соответственно, 4,21, 5,17, 6,32, 6,55 МПа и наблюдается при углах , равных 17,5, 12,5, 10,3 и 7,9 п.к.в. после в.м.т. Вследствие поздней подачи метанола процесс сгорания на всех углах впрыска МЭРМ развивается заторможенно, что приводит к падению к.п.д. дизеля и росту расхода топлива.
На рисунке 4.5 представлены совмещенные индикаторные диаграммы, снятые при мет = 30 и различных МЭРМ. Из данных диаграмм также видно, что более ранняя подача запального МЭРМ ведет к росту максимального давления в цилиндре. Одновременно с этим пик давления сдвигается ближе к в.м.т. При этом при углах МЭРМ, равных 26, 30, 34, 38, максимальное давление газов pz max составляет, соответственно, 4,87, 5,42, 5,94, 6,72 МПа и достигает своего значения при углах = 11,1, 12,9, 10,9, 9,0 п.к.в. после в.м.т. соответственно.
Данная тенденция сохраняется при дальнейшем росте установочного угла опережения подачи метанола и при мет = 38 (рисунок 4.7) и углах МЭРМ, равных 26, 30, 34, 38, максимальное давление газов pz max составляет, соответственно, 3,94, 6,15, 7,00, 7,56 МПа и достигает своего значения при углах = 13,5, 11,6, 9,1, 6,6 после в.м.т. соответственно.
Таким образом, проанализировав индикаторные диаграммы (рисунки 4.4 – 4.7), можно сделать вывод, что позднее впрыскивание МЭРМ и метанола вызывает сдвиг воспламенения топливовоздушного заряда за в.м.т., а процесс сгорания сдвигается на линию расширения, что приводит к снижению максимального давления газов в цилиндре дизеля и ухудшению процесса сгорания. Как следствие, поздняя подача как метанола, так и запального МЭРМ, согласно графикам на рисунке 4.2, приводит к увеличению расхода топлива. При ранней подаче метанола происходит накопление большого количества паров спирта в объеме КС, это приводит к росту периода задержки воспламенения и росту скорости сгорания топлива. В результате значительно увеличивается «жесткость» процесса сгорания и отрицательная работа цикла. При одновременном впрыскивании МЭРМ и метанола (МЭРМ = 34, мет = 34) процесс сгорания является наиболее оптимальным, что также подтверждается снижением расхода топлива при данных углах (рисунок 4.2). Поэтому установочные углы опережения впрыскивания топлива равные МЭРМ = 34, мет = 34 были приняты нами за оптимальные и все дальнейшие испытания двигателя проводились при этих регулировках.
Согласно разработанной методике проведения стендовых испытаний после нахождения оптимальных УОВТ нами изучались особенности процесса сгорания метанола и МЭРМ в цилиндре дизеля. С этой целью проводилось индицирование рабочего процесса на различных режимах работы двигателя. Далее индикаторные диаграммы, полученные при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ, сравнивались с аналогичными диаграммами, полученными при работе на ДТ [16, 17, 88].
Индикаторные диаграммы были получены при оптимальных установочных УОВТ, которые составляют мет = 34 и МЭРМ = 34 п.к.в. при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ и = 30 п.к.в. при работе на ДТ. При этом цикловая подача запального МЭРМ была фиксирована, а поддержание заданной нагрузки обеспечивалось подачей основного топлива – метанола.
На рисунке 4.8, а представлены индикаторные диаграммы двигателя 2Ч 10,5/12,0, полученные при работе на метиловом спирте и МЭРМ с ДСТ в сравнении с дизельным процессом на номинальном режиме.
Сравнивая диаграммы можно видеть, что при работе на данном режиме происходит снижение максимального давления газов в цилиндре pz max, а весь процесс сгорания при этом несколько сдвигается за линию в.м.т. Так, на дизельном процессе давление составляет рz max = 6,77 МПа, а при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ снижается до рz max = 6,05 МПа. При этом пик индикаторной диаграммы соответствует углам = 6,4 и = 11,5 после в.м.т. при работе на ДТ и метаноле с запальным МЭРМ соответственно. Это, в свою очередь, приводит к снижению «жесткости» работы дизеля, которая составляет (dp/d)max = 0,605 при работе на ДТ и (dp/d)max = 0,277 при работе на метанол и МЭРМ с ДСТ.
При рассмотрении индикаторных диаграмм, полученных при работе на режиме максимального крутящего момента (рисунок 4.8, б), можно увидеть следующее. Для дизельного процесса максимальное давление составляет рz max = 7,17 МПа, а при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ и той же нагрузке максимальное давление газов в цилиндре возрастает до рzmax = 7,67 МПа. При этом пик давления в цилиндре наблюдается при углах, равных = 5,3 и = 5,6 п.к.в. после в.м.т. для дизельного процесса и метанола с запальным МЭРМ соответственно. Несмотря на рост максимального давления при работе на метаноле и МЭРМ с ДСТ также происходит снижение «жесткости» работы двигателя. При этом «жесткость» рабочего процесса составляет (dp/d)max = 0,686 и (dp/d)max = 0,446 при работе на ДТ и метаноле и МЭРМ с ДСТ соответственно.
Для изучения процесса сгорания в цилиндре дизеля при работе на данных альтернативных топливах нами рассматривались кривые тепловыделения, полученные в результате обработки индикаторных диаграмм по методике ЦНИДИ [33].
Результаты обработки индикаторных диаграмм представлены на рисунке 4.9. Из графиков на рисунке видно, что вследствие применения метанола и МЭРМ с ДСТ в качестве топлива изменяется характер кривой тепловыделения и осреднённой температуры газов в цилиндре, а значит, происходит изменение процесса сгорания в цилиндре дизеля [16].