Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальное исследование и теоретический анализ процесса теплообмена нестационарной топливной струи с нагретой средой 23
1.1. Методика и основные результаты экспериментального исследования теплообмена 23
1.2. Вывод критериального уравнения теплообмена 36
1.2.1. Обобщение экспериментальных данных и вывод критериального уравнения 36
1.2.2. Анализ применимости критериального уравнения теплообмена в условиях дизеля 41
1.3. Расчет нестационарного поля температур при впрыскивании топлива 46
1.3.1. Результаты экспериментального исследования 46
1.3.2. Расчет поля температур около испаряющейся топливной струи методом источника 52
1.3.3. Расчет поля температур в процессе сжатия 61
1.3.4. Влияние турбулентных пульсаций скорости 67
Глава 2. Развитие теории фракционирования и испарения топлив в условиях дизеля 72
2.1. Общие положения 72
2.2. Расчет равновесной испаряемости 76
2.2.1. Фазовое равновесие в системе пар - жидкость 76
2.2.2. Фазовое равновесное многокомпонентных смесей 80
2.2.3. Расчет процесса фракционирования 88
2.2.4. Равновесное выкипание и равновесное испарение 94
2.3. Расчет динамической испаряемости топлива по характеристике впрыскивания 101
2.3.1. Вывод исходных соотношений 101
2.3.2. Расчет динамической испаряемости топлива в условиях дизеля 110
2.4. Особенности испарения топлива при сверхкритических параметрах среды 126
Выводы по главам 1, 2 137
Глава 3. Требования к организации процесса смесеобразования в дизелях с КС в поршне 139
3.1. Общие положения 139
3.2. Организация движения воздушного заряда в КС 140
3.3. Взаимосвязь длительности процесса впрыскивания и количества топливных струй 150
3.4. Требования к ориентации топливных струй 156
3.5. Согласование конструктивного оформления КС и распылителя . 169
3.6. Комплексная оценка качества смесеобразования 176
3.7. Изменение скорости движения воздушного заряда при работе дизеля по скоростной характеристики 183
Выводы по главе 3 192
Глава 4. Влияние свойств топлив на показатели рабочего цикла дизеля 194
4.1. Анализ влияния свойств топлив на показатели работы и токсичность ОГ дизелей 194
4.2. Методика экспериментальных исследований 206
4.3. Влияние испаряемости и ЦЧ на удельный расход топлива и требования к организации движения воздушного заряда 214
4.4. Расчет длительности ПЗВ при сгорании топлив различного состава 239
4.4.1. Общие положения 239
4.4.2. Расчетная модель воспламенения 241
4.4.3. Решение дифференциального уравнения воспламенения 245
4.4.4. Уравнение для расчета периода задержки воспламенения в дизеле 252
4.5. Требования к условиям начала воспламенения при сгорании топлив различного состава 254
4.6. Влияние динамической испаряемости топлива на показатели процесса сгорания 263
Выводы по главе 4 271
Глава 5. Обоснование и расчетная оценка показателей перспективных топлив для дизелей 272
5.1. Сравнительная оценка склонности топлив различного состава к образованию токсичных компонентов 272
5.2. Альтернативные топлива для дизелей 280
5.2.1. Общая характеристика альтернативных топлив 280
5.2.2. Расчетные зависимости для определения свойств топлив 284
5.3. Оценка показателей качества перспективных топлив 294
5.3.1. Общие соображения 294
5.3.2. Соотношения между фракционным составом и ЦЧ дизельных топлив 297
5.4. Оценка показателей качеств реформулированного дизельного топлива 301
5.4.1. Определение элементного состава 301
5.4.2. Расчет показателей качеств 303
5.4.3. Расчет динамической испаряемости и требуемой интенсивности вихревого движения 305
5.4.4. Влияние состава топлива на токсичность ОГ 306
5.5. Расчет основных свойств диметилового эфира (ДМЭ) 310
5.5.1. Общие сведения 310
5.5.2. Расчет термодинамических свойств диметилового эфира 314
5.5.2.1. Свойства диметилового эфира в состоянии насыщения 314
5.5.2.2. Свойства диметилового эфира в паровой (газовой) фазе 319
5.5.3. Использование метода термодинамического подобия для расчета свойств диметилового эфира 322
5.5.3.1. Исходные положения 322
5.5.3.2. Скрытая теплота парообразования 324
5.5.3.3. Динамическая вязкость паров 325
5.5.3.4. Поверхностное натяжение 327
Выводы по главе 5 329
Основные результаты и выводы 331
Список литературы 334
Приложения 346
- Обобщение экспериментальных данных и вывод критериального уравнения
- Расчет динамической испаряемости топлива в условиях дизеля
- Согласование конструктивного оформления КС и распылителя
- Соотношения между фракционным составом и ЦЧ дизельных топлив
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время весьма актуальной становится проблема расширения ресурсов моторных топлив и улучшения показателей их качеств, что связано, с одной стороны, с уменьшением разведанных запасов и темпов прироста добычи нефти, а с другой - прогрессивным ростом парка автомобилей и ужесточающимися требованиями по контролю их вредных выбросов.
Потребление энергии, получаемой в основном путем сжигания углеводородных топлив, составляет в разных странах 0,5 ....5564 ГДж /(чел. год), а в среднем находится на уровне 56 ГДж/(чел.год). В период 1970 - 2000 гг. мировой автомобильный парк вырос с 220 до почти 730 млн. и в настоящее время на транспорт приходится до 40 % мирового потребления нефти. Топливо, получаемое из нефти, обеспечивает 96 % энергии, затрачиваемой в мире для перемещения людей и грузов. В конце прошлого века транспортом в мире потреблялось 30 млн. баррелей нефти в день, что на 75 % превышало аналогичное потребление 1973 года при среднегодовом темпе роста 2,4 %. Предполагается, что в период до 2020 года мировое потребление нефти для транспорта будет расти вдвое быстрее, чем для других целей, а транспорт и в будущем сохранит свою зависимость от нефти.
Существенным фактором является традиционная диспропорция между запасами нефти, газа и угля и долей их потребления в мировом хозяйстве.
Российская Федерация обладает примерно 45 % мировых запасов природного газа, 13 % - нефти, 23 % - угля и 14 % урана. Одновременно в России более экологически совершенная структура энергопотребления, чем в ведущих странах Запада: почти в 3 раза большая доля природного газа по сравнению с углем, табл. 1 [5, 71, 137, 143]. К подобному соотношению стремятся сейчас во всем мире, так как в продуктах сгорания угля содержится на 29 % больше вредных веществ, чем от нефтяного топлива, и на 80 % больше, чем от газового. В нефтяной отрасли РФ имеет место согласование мощностей добычи и переработки нефти.
По фактическим загрузкам мощностей российская нефтеперерабатывающая промышленность занимает четвертое место в мире, уступив второе место Японии и третье - Китаю, но существенно отстает от них по глубине переработки нефти и качеству продуктов, прежде всего моторных топлив. Показатели работы нефтяного комплекса РФ даны в табл. 2.
В 1999 году мощности по переработке нефти были использованы на уровне 55 ... 60%. Связано это во многом с тем, что после распада Советского Союза в России осталось всего 28 НПЗ общей мощностью 330 млн. т/год из 48 НПЗ общей мощностью более 500 млн. т/год. Эти НПЗ, за исключением Омского, Ново-Уфимского, Московского, Пермского, имели весьма отсталую техническую базу и весьма невысокий уровень развития вторичных процессов ( 19 % от мощностей первичной переработки).
В настоящее время мощность первичной переработки нефти около 266 млн. тонн; в 2002 г. было переработано 185 млн. тонн, в первом полугодии 2003 г. - 93,7 млн. тонн. Добычу нефти в РФ планируется довести до 490 млн. тонн в год в 2010 г. и 520 млн. тонн - в 2020 г.
Отметим, что после распада СССР в условиях общего кризиса экономики в стране необходимо было не только поддерживать топливно-энергетический баланс, но и значительно улучшать качество нефтепродуктов, так как этот период совпал с существенным ужесточением мировых требований к их показателям. Впервые было сформулировано понятие «экологически чистые моторные топлива».
Одним из основных продуктов нефтепереработки являются моторные топлива: в структуре мирового потребления нефти с 1998 г. по 2015 г. объем их производства должен вырасти с 51 до 56 % от мощностей первичной переработки.
В табл. 3 приведено изменение производства основных моторных топлив и их структуры в РФ с 1991 по 2001 гг.
В настоящее время большинство европейских государств переходит на выпуск топлив, соответствующих требованиям стандарта EN-590, согласно которому в топливах должно быть не более 0,035% (масс.) серы и не более 11% (масс.) полициклических ароматических углеводородов. К 1.06.2005 г. содер жание серы в топливе не должно превышать 50 млн-1 (50 ррт), а к 2011 г. - 10 млн-1 (10 ррт).
С целью повышения качества моторных топлив и удовлетворения потребности страны в энергоносителях в 2001 г. была утверждена федеральная целевая программа «Энергоэффективная экономика» на 2002-2005 г. и перспективу до 2010 г., что должно позволить к 2004 г. снизить содержание серы в дизельных топливах до 350 ррт. Для удовлетворения требований норм Комитета по внутреннему транспорту ЕЭК ОНН ЕВРО-2 к 2004, ЕВРО-3 к 2006 г. и ЕВРО-4 к 2008 г. в РФ введен новый стандарт «Топливо дизельное автомобильное (EN-590)» по ТУ 38.401-58-296-2001. По этому стандарту цетановое число не ниже 50, содержание серы не более 0,05 %, (EN-590-1999, ЕВРО-2), содержание полициклической ароматики не более 10%, табл. 4. В табл. 4 так же даны требования к аналогичным показателям топлив США и Западной Европы.
Отметим, что в 2002 г. РФ было произведено 390 тыс. тонн дизельного топлива с содержанием серы менее 350 ррт (при общем количестве 52,5 млн. тонн), а в 2003 г. планировалась увеличить эту цифру до 1 млн. тонн.
Еще более жесткое регламентирование предлагает нефтяная компания «Лукойл»: содержание серы не более 0,003%, полициклических АУ не более 1%, повышение ЦЧ до 53...58, снижение температуры конца кипения до 340°С и увеличение доли топлив марок 3 и А до 30...35%. Отметим, что такое ужесточение требований и, прежде всего, снижение температуры конца кипения ti K до 340°С (вместо 360°С как у наиболее массового топлива Л) приведет к уменьшению выхода дизельного топлива из нефти на 1,5 млн. тонн.
Одним из возможных путей увеличения ресурса дизельных топлив при дефиците обычной нефти является использование для их получения альтернативных источников энергии. По сравнению с обычной нефтью, неразведанные запасы которой по оценкам не превышают 1200 млрд. баррелей, ресурсы других ископаемых энергоносителей весьма велики (от 10 до 100 раз больше обычной нефти). В первую очередь это запасы «тяжелой» нефти, нефтяных сланцев, битумных песков, угля, сжатого и сжиженного газов. Эти продукты могут служить сырьем для получения искусственных (синтетических) жидких топлив, которые хорошо совместимы с существующей топливной инфраструктурой. Конверсия природного газа до бензиновых и дизельных фракций с помощью усовершенствованного процесса Фишера - Тропша даст возможность использовать его как моторное топливо. Рост доли угля в структуре внутрироссийского энергопотребления также будет возможен в случае экономически эффективного получения из него синтетических моторных топлив.
В связи с ужесточающимися требованиями к экологическим свойствам топлив, уменьшающими их склонность к образованию токсичных веществ, ведутся интенсивные работы по использованию кислородосодержащих соединений (спиртов и их эфиров, эфиров растительных масел) в качестве компонентов топлив или даже их заменителей. В частности, в настоящее время перспективными компонентами (или заменителями) дизельного топлива считаются димети-ловый эфир (ДМЭ) и метиловый эфир рапсового масла (РМЭ).
Разработка требований к показателям качеств перспективных топлив становится актуальной проблемой и требует выявления характера и механизма влияния этих свойств на показатели дизеля.
Значительный объем исследований в этом направлении выполнен отечественными и зарубежными учеными в МГТУ им. Н.Э.Баумана, ФГУП 25 ГосНИИ МО РФ, ВНИИ НП, ФГУП ГНЦ НАМИ, МАДИ(ГТУ), НИИД, ФГУП НИИАТ, Киевском и Харьковском национальных университетах, Московской и Новосибирской академиях водного транспорта, УДН им. П.Лумумбы, Санкт Петербургском политехническом университете, Юго-Западном институте (США) и других организациях. Полученные результаты позволили выявить особенности работы дизелей с различными способами смесеобразования на то-пливах различного состава и определить характер влияния основных свойств топлив на энергоэкономические и экологические показатели дизеля. Результаты этих исследований используются автором, о чем имеются соответствующие ссылки в тексте диссертации.
Вместе с тем анализ опубликованных работ позволяет заключить, что во многих случаях они ограничены установлением прямых связей между свойствами топлив и показателями дизеля. Безусловно, такие связи существуют, о чем свидетельствует наличие многочисленных корреляций. Однако именно разнообразие этих корреляций и их известная противоречивость указывают на их, как правило, опосредованный характер.
На наш взгляд характер влияния свойств топлив необходимо искать прежде всего в изменении условий протекания процесса смесеобразования и требований к его организации, изменении условий начала сгорания и длительности его отдельных фаз и требований к воспламеняемости топлив. Влияние физико-химических свойств топлив на требования к рациональной организации процессов смесеобразования и теплоиспользования и механизм этого влияния пока изучены недостаточно. Так, практически открытым, например, остается вопрос о взаимосвязи газодинамических характеристик и параметров впрыскивания (в частности, длительности впрыскивания, угла раскрытия и количества струй и др.) и испаряемости топлив.
Совокупное влияние цетанового числа (ЦЧ) и испаряемости обусловлено прежде всего характером взаимного их изменения для топлив различного фракционного и группового состава, а также зависит от конструктивных, регулировочных и режимных параметров самого двигателя. Вместе с тем необходимо учитывать и определенную «неравноценность» их воздействия, отмеченную в ряде работ. Этот вопрос связан с механизмом влияния ЦЧ на показатели рабочего цикла и также требует специального рассмотрения.
В рамках решения указанной проблемы были установлены взаимосвязи параметров рабочего процесса дизеля с показателями качеств топлив и предложены расчетные методики оценки этих взаимосвязей.
Анализ опубликованных данных и результаты собственных и выполненных под руководством автора исследований позволили сделать вывод о существенном влиянии испаряемости топлив на основные показатели рабочего цикла. В этой связи была разработана методология количественной оценки динамической испаряемости топлив различного состава в дизеле для разных условий смесеобразования в зависимости от характеристики впрыскивания, свойств топлив, режимов работы двигателя.
Ниже на рис. В1 приводится возможный характер взаимосвязи испаряемости топлива и основных показателей рабочего цикла дизеля:
• через количество испарившегося за период задержки воспламенения (ПЗВ) топлива на: показатели динамики фазы быстрого сгорания; оптимальные условия начала сгорания, содержание ряда токсических компонентов в отработавших газах (ОГ);
• через количество испарившегося за ПЗВ топлива на оптимальные условия начала сгорания и соотношение фаз быстрого и диффузионного сгорания;
• через количество и долю испарившегося к моменту окончания впрыскивания топлива на максимальную скорость образования смеси в период активного горения (II и III фазы горения) и требования к энергии смесеобразования, вносимой воздушным зарядом при работе дизеля по скоростной характеристике;
• через молекулярно-кинетическую составляющую скорости испарения, зависящую от физических свойств топлива, на требования к конвективной составляющей скорости переноса и, соответственно, на взаимосвязь фракционного состава топлива с требуемой интенсивностью вихревого движения заряда в камере сгорания (КС).
Необходимо также оценивать фактическую воспламеняемость разных топлив (по величине ПЗВ) в зависимости от ЦЧ, фракционного состава, режимов работы и конструктивных параметров двигателя, что даст возможность более Транспорт, прежде всего автомобильный, является основным потребителем нефти и останется им на период до 2040...2050 г. Одновременно происходит постоянное ужесточение требований к качеству применяемых топлив с позиции улучшения их экологических свойств и уменьшения загрязнения окружающей среды продуктами из сгорания. Отмеченные тенденции указывают на целесообразность постепенного изменения структуры производства дизельных топлив за счет использования альтернативных сырьевых ресурсов - природного газа, угля, биомассы и др. Применение реформулированных и синтетических топлив, топлив на основе эфиров низших спиртов и растительных масел позволит при одновременном расширении их ресурсов улучшить экологическую об становку.
Для повышения эффективности использования в дизелях перспективных топлив с различными физико-химическими свойствами необходимы глубокий анализ и количественная оценка механизма влияния свойств топлив на процессы смесеобразования и теплоиспользования, а также выявление закономерностей, связывающих эти свойства с протеканием отдельных стадий рабочего цикла.
Оптимизация показателей качеств перспективных топлив будет компромиссом между их себестоимостью, необходимостью облагораживания состава с учетом жестких экологических ограничений и возможностью получения высоких энергоэкономических показателей. Обоснование характеристик таких топлив и организация их эффективного применения в дизелях становится в настоящее время актуальной проблемой. Одним из путей решения указанной проблемы является формирование нового подхода, рассматривающего в качестве регулирующего фактора свойства топлив, направленным изменением которых можно воздействовать на протекание рабочего цикла дизеля.
Цель работы - улучшение энергоэкономических и экологических показателей дизелей путем повышения эффективности применения топлив с различными физико-химическими свойствами на основе дальнейшего развития теории процессов теплообмена и испарения; обоснование показателей качеств перспективных топлив для дизелей.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи: 1. Анализ и обобщение методами теории подобия характеристик теплообмена нестационарной топливной струи с нагретой средой в условиях дизельного впрыскивания в широком диапазоне изменения условий смесеобразования и свойств топлив.
2. Теоретический анализ и расчет полей температуры около испаряющейся топливной струи и в ее объеме с учетом сжатия и турбулентных пульсаций скорости.
3. Развитие теории фракционирования и испарения и разработка методов рас-чета равновесной и динамической испаряемости топлив.
4. Анализ взаимосвязей интенсивности вихревого движения заряда, давления и длительности впрыскивания, угла раскрытия и количества топливных струй с динамической испаряемостью топлив и разработка на этой основе показателей процесса смесеобразования, с позиций оптимального теплоис-пользование.
5. Экспериментальное исследование показателей рабочего цикла дизеля при применении топлив различного фракционного и группового состава. Установление механизма и количественная оценка влияния испаряемости и це-танового числа (ЦЧ) на процессы смесеобразования и теплоиспользования.
6. Анализ и обоснование характеристик перспективных топлив для дизелей и разработка методологии их расчетного определения.
Научная новизна. Даны пути реализации основной научной идеи диссертационной работы - повышение эффективности организации процессов смесеобразования и теплоиспользования путем управляющего воздействия свойств топлив и, в частности, их динамической испаряемости и цетанового числа, позволяющие решать важную научно-техническую проблему улучшения экономических и экологических показателей дизелей при использовании топлив с различными физико-химическими свойствами.
Основные элементы научной новизны, которые выносятся на защиту: 1. Новый методологический подход к анализу и расчету показателей рабочего цикла дизеля, учитывающий свойства топлив и, в частности, их динамическую испаряемость и цетановое число, как управляющие факторы процесса смесеобразования.
2. Развитие теории теплообмена между нагретой средой и нестационарной топливной струей и критериальное уравнение для модифицированного числа Стэнтона в диапазоне изменения термогазодинамических параметров и свойств среды, характеристик впрыскивания и свойств топлив, характерных для условий работы транспортных дизелей.
3. Математическая модель испаряющейся топливной струи с учетом возникающего вследствие испарения радиального (стефановского) течения среды от ее поверхности и уравнения для расчета двухмерного нестационарного поля температур. Уравнения для расчета средних и локальных температур среды в цилиндре дизеля с учетом ее сжатия и турбулентных пульсаций скорости.
4. Теория и методы расчета равновесной (с учетом фракционирования) и динамической испаряемости топлив различного состава.
5. Методология обоснования фракционного состава и цетанового числа товарных и реформулированных топлив для дизелей. Расчетное прогнозирование свойств реформулированных топлив при заданных ограничениях элементного состава на склонность к образованию сажи и теплоту сгорания топливовоздушной смеси.
6. Методология расчетного определения свойств диметилового эфира на основе аналогичных свойств термодинамически подобных веществ.
Достоверность результатов. Достоверность теоретических исследований базируется на использовании фундаментальных законов и положений термодинамики и тепломассообмена и физически обоснованных моделях рассматриваемых явлений и подтверждается согласованием результатов расчета с опу-бикованными и полученными автором экспериментальными данными. Достоверность результатов экспериментов обоснована соблюдением требований стандартов, использованием современных аттестованных методов и средств регистрации и измерения, повторяемостью результатов измерений.
Практическая значимость. Разработанные в диссертации теоретические положения, модели, методики и алгоритмы, реализованные в виде программ для ЭВМ, могут быть использованы при разработке и реализации научно-технических мероприятий по совершенствованию показателей дизелей с камерой сгорания (КС) в поршне. Предложены возможные пути повышения эффективности теплоиспользования и снижения выбросов токсических веществ:
1. Критерии для сравнительной оценки эффективности смесеобразования, обеспечивающие минимальный расхода топлива и дымность ОГ, которые экспериментально подтверждены в широком диапазоне изменения относительного диаметра КС, вихревого отношения, количества и диаметра распы-ливающих отверстий и угла раскрытия топливных струй, относительной глубины КС, длительности впрыскивания, динамической испаряемости топлива.
2. Расчетные методы, использующие в качестве определяющего параметра динамическую испаряемость топлива, позволяют: подбирать вихреобразую-щую способность впускного канала в зависимости от фракционного состава (плотности) и ЦЧ топлив; оценивать степень приближения действительной длительности ПЗВ к оптимальной; определять показатели первой фазы сгорания и содержание сажи и NOx в ОГ при работе дизелей на топливах различного состава; находить соотношение между фракционным составом и требуемым фактическим ЦЧ дизельных топлив.
3. Математическая модель согласования конструктивного оформления КС и геометрии топливных струй, обеспечивающего достижение минимального расхода топлива на номинальной частоте вращения.
4. Комплекс уравнений для определения термодинамических свойств димети-лового эфира в состоянии насыщения (давление насыщенных паров, скрытая теплота парообразования и др.) в диапазоне температур вплоть до критической, достоверность которых контролируется выполнением уравнения Кла-пейрона-Клаузиуса и подтверждается согласованием с опубликованными данными.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических, методологических и прикладных исследований по теме диссертации использованы на Алтайском моторостроительном производственном объединении (АМПО) при разработке новой конструкции впускного канала; на Чебоксарском заводе промышленных тракторов (ЧЗПТ) при разработке новой камеры сгорания (а.с. 759736) и согласовании конструктивного оформления КС и распылителя для дизеля А-90 ТК; на Камском автомобильном заводе (ОАО «КАМАЗ») при оптимизации положения распыливающих отверстий в камере сгорания дизелей КамАЗ, отвечающих нормам ЕВРО-2.
Акты внедрения, приложенные к диссертации, подтверждают экономический эффект от комплекса выполненных работ. Разработанные методики расчета максимального давления и скорости нарастания давления при сгорании, периода задержки воспламенения, требуемой скорости движения заряда, динамической испаряемости, конструктивного оформления КС используются на ОАО «КАМАЗ» АМПО (г. Барнаул), МосАвтоЗИЛе, ПО ЧЗПТ (г. Чебоксары), Липецком ГТУ, Общевойсковой академии сухопутных войск РФ и ряде других организаций. Научные и технические результаты работы используются в учебном процессе МАДИ(ГТУ) на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели», в Липецком ГТУ, Общевойсковой академии Сухопутных войск РФ и при написании учебников и учебных пособий.
Апробация работы. Результаты исследований обсуждались и получили одобрение на 27 международных и Всероссийских научных конференциях.
Публикации. Основные теоретические и научные результаты исследования опубликованы в 97 печатных работах, в том числе двух монографиях и учебнике «Теплотехника».
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, содержит 369 страниц текста, 132 таблицы, 132 рисунка, список литературы из 212 наименований и 8 приложений.
Обобщение экспериментальных данных и вывод критериального уравнения
Проанализируем возможность использования уравнения (1.7) для расчета теплообмена топлива со средой в условиях дизеля. Критериальное уравнение (1.7) получено для условий дизельного впрыскивания в камеру V = const т.е. при неизменных термогазодинамических параметрах среды. В дизеле за счет сжатия эти параметры изменяются в процессе впрыскивания топлива. Поэтому одновременное моделирование условий испарения до начала сгорания по параметрам заряда и по длительности периода задержки воспламенения (ПЗВ) в камере V = const и дизеле оказывается невозможным. Так, при одинаковых значениях Тт и рнв величина х, в дизеле будет существенно меньше, а при xi = idem значения Тт и р в момент начала впрыскивания в камере V = const по сравнению с дизелем должны быть существенно большими. Поэтому непосредственный перенос численных значений Ара и Qa на условия дизеля является неправомерным. Вместе с тем уравнение (1.7) может быть использовано в дизеле при допущении, что его структура и характер влияния основных параметров остаются неизменными, т.е. при допущении квазистационарности теплообмена. В этом случае в уравнении (1.7) используются переменные значения параметров среды. Допущение квазистационарности можно считать правомерным, так как скорость изменения средних значений температуры и давления при сжатии по меньшей мере на порядок превышает скорость их понижения за счет теплообмена с топливом при его впрыскивании.
Существенным фактором является возможное изменение характера теплообмена после достижения топливными струями стенок КС. Полученные данные при имитации КС типа ЦНИДИ специальными вставками в динамической модели показали, что характер теплоподвода не меняется после достижения струей стенок камеры (если это происходит до момента окончания впрыскивания), а также практически остается постоянным при различной ориентации топливных струй по отношению к направлению воздушного вихря. Другими словами, до момента окончания впрыскивания превалирующее влияние оказывают при прочих равных условиях динамика впрыскивания топлива и общая поверхность теплообмена (число топливных струй).
В условиях преимущественно объемного смесеобразования контакт уже нагретого топлива с поверхностями не может дать существенный вклад в общее количество теплоты, подводимой к топливу. Согласно опубликованным данным после достижения вершиной струи стенок КС интенсивность испарения уменьшается примерно на 20%. По данным [45, 98, 104] в дизеле 14 8,5/11 с камерой типа ЦНИДИ при увеличении числа распыливающих отверстий от 3 до 5 доля топлива, испарившегося в объеме КС, (от общего количества испарившегося топлива в объеме и со стенок) растет от 0,83 до 0,97. Таким образом и в КС типа ЦНИДИ превалирует объемный характер испарения.
Можно с достаточным основанием допустить, что достижение вершиной струи стенок КС не изменяет превалирующий характер подвода теплоты к топливу от нагретого заряда (исключая случай, когда топливо «наносится» на поверхность, как в дизелях с М-процессом). В пристеночной зоне будут изменяться температурные условия и форма топливной струи (пристеночная струя), а также характер подвода воздуха в струю. Последнее, кстати, и может быть основной причиной наблюдаемого при этом изменения интенсивности смесеобразования, а отнюдь не изменение характера испарения.
Для анализа возможности использования уравнения (1.7) для расчета те-плоподвода к топливу в условиях дизеля были взяты опытные данные, полученные в МАДИ А.С.Хачияном и В.Е.Кузнецовым на динамической модели дизеля ЯМЗ [47, 97]. Примерный характер изменения теплоподвода к топливу по углу ПКВ показан на рис. 1.16. Согласно этим данным, кривые теплообмена аналогичны интегральным характеристикам впрыскивания и характеристикам изменения суммарной поверхности топлива. Длительность теплообмена (ртет при больших цикловых подачах близка к длительности впрыскивания, а при малых подачах становится больше, ртепя ртр. По этим же данным длительность (рт достижения топливной струей стенок при малых цикловых подачах без учета сноса струи сопоставимо с (ртр, а учетом сноса может быть больше рвпр. Таким образом, имеет место корреляция с полученными нами данными, что при (рйт q enp теплообмен определяется длительность , а при рст рвпр, ртепл близко к рвпр.
В табл. 1.5 приведены по данным [47, 97] значения (Зтахдля разных цикловых подач и двух частот вращения для двух типов ТПА: серийной (ТПА ЯМЗ-740) и с клапанно- сопловой форсункой (КСФ). Там же приведены значения рвпр{гтр) и d30. Согласно уравнению (1.7) при прочих равных условиях количество подводимой теплоты определяется величиной т,5(г/ зо)Р 35 В табл. 1.5 показано относительное изменение этой величины (при mT=gu), а также относительное изменение gLx- График Qmax =f\g4 5{T/d 0)J 5 показан на рис. 1.17, откуда следует прямо пропорциональная зависимость, подтверждающая уравнение (1.7). При расчетах не учитывали изменения температуры Тн.в. и давления рНв при изменении qu и п. Надо иметь в виду и возможные погрешности определения характеристик теплообмена в динамической модели. В разделе 1.3, где дан теоретический анализ изменения температуры и давления в цилиндре в процессе сжатия с учетом впрыскивания топлива, получены уравнения для расчета этих величин в различные моменты впрыскивания. На рис. 1.18 по данным [47, 97] приведено изменение давления в динамической модели с ТПА ЯМЗ-740 по углу поворота коленчатого вала на режиме п=1400 мин , Яц=50 мм /цикл. Там же сопоставлены величины понижения давления в цилиндре, полученные экспериментально и рассчитанные по приводимому в разделе 1.3 уравнению (1.30а). Видно, что характер изменения опытной и расчетной кривых Ара практически одинаков, а различие между ними сравнимо с погрешностью определения величины Аро. Проведенные сопоставления позволяют сделать вывод о возможности использования уравнения (1.7) для качественного анализа процесса теплообмена топлива с нагретым зарядом в условиях дизеля. При использовании характеристики теплоподвода Qa = /(г) для процесса испарения необходимо знать распределение подведенной теплоты (Qa) на собственно нагревание (QH ) и на испарение и перегрев (Qv ) топлива. Это требует более детального уточнения характера теплообмена нагретой среды с топливом, анализ которого был проведен на основании результатов экспериментальных измерений полей температуры в объеме топливной струи, которые анализируются ниже. Методика измерения температур была приведена выше. Для всех зон измерений были получены типичные кривые изменения температуры, рис. 1.26, включающие участок интенсивного понижения температуры со скоростью порядка 105 К/с и участок обратного выравнивания (повышения) температуры значительно меньшей интенсивности. Установлено, что в зоне струи время интенсивного понижения температуры примерно совпадает со временем прохождения топливной струи около датчика. Соответственно, время от момента начала впрыскивания до момента начала понижения температуры в данной зоне струи примерно совпадает со временем достижения вершиной струи датчика. Вследствие высокой интенсивности понижения температуры в зоне струи количественный анализ вели по величине максимального понижения температуры АГтах.
Расчет динамической испаряемости топлива в условиях дизеля
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований процессов теплообмена и испарения нестационарной топливной струи в условиях дизельного впрыскивания получены: критериальное уравнение, описывающее теплообмен топлива с нагретым зарядом в широком диапазоне изменения термогазодинамических и физических параметров среды, физико-химических свойств топлив, характеристик впрыскивания и распыливания, характерных для дизелей с КС в поршне; уравнения для расчета полей температуры в объеме топливной струи и около нее; уравнения для расчета средней температуры заряда и зонах с заданным коэффициентом избытка воздуха в процессе впрыскивания и сжатия заряда.
Предложена методология расчета процесса испарения и получен комплекс уравнений для количественной оценки равновесной испаряемости топлив с учетом его фракционирования и динамической испаряемости топливной струи в условиях дизеля в зависимости от конструктивных параметров КС, параметров впрыскивания и распыливания, свойств топлив. Получены уравнения для расчета нестационарного испарения капли при давлениях и температурах, превышающих их критические значения для топлив.
Достоверность полученных соотношений базируется на лежащих в их основе и используемых при выводе фундаментальных положениях термодинамики многокомпонентных систем и теории тепломассообмена, а также на экспериментальных данных, полученных в широком диапазоне изменения начальных условий. Предлагаемые уравнения качественно верно отражают воздействие основных режимных и физических факторов во всем диапазоне, характерном для смесеобразования в дизелях с КС в поршне. Результаты сопоставлены с независимыми экспериментами и опубликованными данными по испарению единичных капель и стационарных топливных струй, а также с опытными данными по теплообмену, полученными в условиях, максимально приближенных к реальным процессам в ПДВС и дают удовлетворительное согласование. Полученные соотношения можно рекомендовать для расчета процесса испарения топлив различного состава в дизелях с КС в поршне, а также для расчета температурной неоднородности заряда в различных зонах струи и в зонах с заданным соотношением топливо: воздух, в том числе и при приближенном учете влияния турбулентности.
Полученные результаты позволяют предложить для сравнительной оценки испаряемости топлив различного состава в дизеле расчетную величину относительной степени испарения топлива iV;i за ПЗВ, определяемую по уравнениям (2.49) и учитывающую как свойства топлив, так особенности смесеобразования, конструкцию КС, режим работы. Расчетные уравнения для iv,i отражают влияние основных конструктивных и режимных факторов, не имеют численных коэффициентов и могут быть использованы для разных типов КС в поршне при изменении условий смесеобразования от чисто объемного до преимущественно пристеночного.
При анализе влияния физико-химических свойств топлив необходимо учитывать, что организация рабочего процесса дизеля должна обеспечивать получение заданных энергоэкономических и экологических показателей при использовании товарных топлив с определенным диапазоном изменения ЦЧ, плотности, фракционной разгонки, вязкости и др. При применении топлив с другими показателями качеств требования к организации процессов рабочего цикла будут в той или иной степени меняться.
Поэтому первым этапом стал анализ показателей организации процесса смесеобразования и получение расчетных зависимостей для сравнительной оценки его совершенства при работе дизеля на товарных дизельных топли-вах. Это касается согласования скорости движения воздушного заряда, диаметра и формы КС, количества и диаметра распыливающих отверстий, ориентации топливных струй.
Ниже рассматриваются основные требования к процессу смесеобразования в дизелях с КС в поршне, обеспечивающие получение минимального удельного расхода топлива на номинальном режиме работы и возможность его оптимизации по скоростной характеристике. Автор базируется как на собственных результатах, так и на опубликованных данных И.В.Болдырева, В.Р.Гальговского, Л.Н.Голубкова, В.М.Володина, Л.В.Грехова, Ю.Г.Грудского, Н.Н.Иванченко, Н.А.Иващенко, Р.З.Кавтарадзе, В.Н.Каминского, О.Н.Лебедева, В.А.Маркова, Н.Н.Патрахальцева, Ю.Б.Свиридова, Б.Н.Семенова, Т.Н.Смирновой, В.И.Толшина, Л.С.Фомина, А.С.Хачияна, В.В.Эфроса и др., а также ряда зарубежных ученых.
Для дизелей с КС в поршне эффективность процесса смесеобразования и, соответственно, высокие удельные показатели определяются правильным выбором интенсивности вихревого движения заряда, создаваемого впускным каналом и вытеснением заряда из надпоршневого пространства, и согласованием этого движения с распределением топливных струй по объему КС для достижения наиболее полного использования воздуха.
Процесс смешения топлива с воздухом может быть интенсифицирован как путем повышения давления и скорости впрыскивания топлива и, соответственно, увеличением глубины проникновения топливных струй в объем КС, так и за счет роста скорости движения заряда и уровня турбулентности. При этом необходимо согласование диаметра, числа и ориентации распиливающих отверстий и давления впрыскивания с геометрией КС и газодинамическими характеристиками впускных каналов, что обеспечивает для разных способов смесеобразования достижение минимальных расходов топлива, снижение токсических выбросов с ОГ и др. Поэтому требования к организации процесса смесеобразования должны включать в общем случае оптимизацию топливоподачи (в том числе геометрию и направление топливных струй), оптимизацию вихревого движения заряда по всей скоростной характеристике, оптимизацию теплового состояния камеры сгорания (что особенно важно для дизелей с преимущественно пристеночным смесеобразованием) и ряд других факторов.
Согласование конструктивного оформления КС и распылителя
Причина в том, что с ростом давления и уменьшением длительности впрыскивания растут скорости смешения и уменьшается длительность подготовительных процессов и периода задержки воспламенения (ПЗВ), в связи с чем уменьшается оптимальный угол опережения впрыскивания и увеличивается доля топлива, сгорающего в диффузионной фазе.
Для реализации высоких скоростей смешения при уменьшении срвпр необходимо обеспечить интенсивное протекание диффузионного сгорания путем дальнейшего увеличения скорости движения заряда. Если высокие потенциальные скорости смешения, обеспечиваемые ростом Р и снижением среднего диаметра капель, не могут быть полностью реализованы из-за недостаточного высоких скоростей движения воздуха, то сокращение рвпр ведет к росту удельного расхода топлива.
При сокращении длительности впрыскивания и приближении начала сгорания к вмт удается использовать более высокие скорости движения заряда и за счет снижения общей продолжительности сгорания и уменьшения вследствие этого тепловых потерь снизить удельный расход топлива. Другим фактором, благоприятно воздействующим на процесс сгорания при повышенном давлении впрыскивания, является уменьшение среднего диаметра капель.
Как следует из ряда опубликованных работ, при сгорании топлива с диаметром капель с!к=15-80мкм имеет место переходная область, когда процессы испарения и перемешивания перед фронтом пламени не успевают завершиться и горение происходит по диффузионно-кинетическому механизму. В этих условиях наблюдается появление максимума скорости горения в зависимости от dK, наличие минимума вредных выбросов и ряд других эффектов. Видимо, на величину g,min сказываются оба фактора (смещение процесса сгорания к вмт и уменьшение его общей длительности за счет уменьшения ртр и повышение скорости сгорания за счет уменьшения диаметра капель).
Проведенный анализ позволяет сделать вывод о целесообразности использования соотношения (3.12) при анализе влияния согласования числа распыливающих отверстий, длительности впрыскивания и интенсивности вихревого движения на удельный расход топлива.
Наилучшее использование воздуха в объеме КС зависит не только от числа распыливающих отверстий и тангенциального сноса паров топлива, но и от согласования геометрии топливных струй и размеров и формы КС. Ориентация топливных струй (угол раскрытия струй уъ и глубина попадания струй на стенки КС) оказывает значительное влияние на энергоэкологические показатели дизелей. Величина уг косвенно характеризует охват топливными струями объема КС и степень использования воздуха. При неизменных выступании распылителя и геометрии КС уменьшение угла раскрытия топливных струй yz (до определенного предела) ведет к улучшению использования воздуха за счет увеличения протяженности и объема топливных струй. С другой стороны, уменьшение у ведет к попаданию струй топлива в более глубокие зоны КС, характеризуемые уменьшением тангенциальных скоростей движения, а также скоростей осевых перетеканий и, как следствие, к увеличению концентрации топлива у днища КС. Поэтому уменьшение ук оказывает неоднозначное влияние на удельный расход топлива. При заданной геометрии КС и неизменном выступании носка распылителя угол раскрытия топливной струи yz однозначно характеризует глубину h попадания струи (отсчитываемую от верхней кромки КС), рис. 3.9 Ae( /2±efei tf (3.13) где е - эксцентриситет установки форсунки относительно оси КС. В" общем случае изменение величины h может происходить как путем изменения угла у, так и за счет смещения оси форсунки относительно оси КС, выступания носка распылителя и изменения формы КС. По данным [126] изменение угла раскрытия струй относительно его оптимального значения уопт на ± 10 ПКВ для дизеля ЯМЗ 236 приводит к ухудшению экономичности примерно на 7 г/кВтч. на режимах п = 2100 мин" и « = 1300 мин"1. При этом увеличение у у опт ведет к более заметному ухудшению показателей по сравнению с таким же уменьшением по абсолютной величине угла уг, что, видимо, связано с попаданием топлива в надпоршне вой зазор. Аналогичная зависимость угла раскрытия топливных струй у от относительного диаметра КС dKC/d получена в работе [108] для дизелей 84 12/12. Помимо величины dKC/d оптимальная (по gi min) величина угла уг зависит также от интенсивности вихревого движения заряда на впуске ои и номинальной частоты вращения. Это закономерно, так как скорости радиальных и осевых перетеканий воздушного заряда будут при одной и той же величине dKC/d зависеть отии .а величина у непосредственно связана с эффектом вытеснения, зависящим от осевых скоростей. Изменение длины топливных струй при изменении угла раскрытия струй уили выступания распылителя сопровождается как изменением характера взаимодействия топливных струй с воздушным зарядом, так и газодинамических условий в зонах встречи. В условиях преимущественно пристеночного смесеобразования увеличение длины струи и ее попадание в более глубокие зоны КС улучшает использование воздуха в КС и позволяет снизить требуемую интенсивность вихревого движения, рис. 3.10.
Соотношения между фракционным составом и ЦЧ дизельных топлив
Известны попытки количественно связать показатели качеств топлив с содержанием токсических компонентов в ОГ. Надо иметь в виду, что получаемые в таком случае зависимости имеют ограниченное применение, но могут быть использованы для определенного «ранжирования» свойств топлив по степени их влияния.
Во ВНИИ НП получено эмпирическое уравнение, связывающее дым-ность ОГ (D в ед. Хартриджа) дизеля ЯМЗ-236 на номинальном режиме (а - \,5,п = 2100МИН 1) с групповым составом топлив: - содержание в топливе (% (масс.)) парафиновых, изопара-финовых и бициклических ароматических углеводородов соответственно. Для 6-цилиндрового дизеля с турбонаддувом установлена следующая зависимость для количества твердых частиц Р (г/кВтч) в ОГ - содержание ароматических углеводородов и серы, %. С учетом рассмотренных выше результатов, а также других известных данных можно задать примерные ограничения на ряд показателей качеств топлив, наиболее сильно влияющих на токсичность и дымность ОГ. Так, топливо с уменьшенной экологической опасностью или «городское» топливо (т.е. для условий высокой плотности транспортных потоков, переменных режимов работы, плохой проветриваемости и др.), должно иметь пониженное содержание серы(0,05% и менее), меньшие температуры выкипания (t50 =240С,/9б =330-340с), ограничения в содержании ПАУ. С увеличением оборотности двигателей требования к качеству топлива возрастают, так как уменьшается время пребывания смеси в зоне высоких температур и, соответственно, возможное время выгорания сажи. Отметим, что большая продолжительность пребывания в высокотемпературных зонах, способствуя выгоранию сажи, оксидов углерода и несгоревших углеводородов, как правило, ведет к увеличенному образованию оксидов азота. Из приведенного анализа также следует, что на энергоэкономические показатели основное влияние оказывают физические свойства топлив и соответствующее изменение теплоты сгорания, а не ЦЧ. При анализе влияния свойств топлив необходимо учитывать как прямой, так и опосредованный характер их взаимодействия. Важной задачей при этом становится выявление влияния одного из показателей при сохранении остальных примерно постоянными, что возможно путем специального подбора исследуемых образцов топлив с возможно более полным определением их физико-химических свойств и характеристик впрыскивания и распыливания. Отдельным вопросом является воздействие на процессы сгорания введением пакета специальных присадок (работы фирмы «Лубризол»), термокаталиче-ской конверсией топлив непосредственно в цилиндре дизеля [123] и др, которые не анализируются, так как выходят за рамки настоящего исследования. Результаты экспериментальных исследований топлив с различными физико-химическими свойствами, проведенных автором и под его руководством, рассматриваются ниже. Для моторных испытаний использовали специально подобранные образцы топлив. Опыты товарными топливами и их смесями с индивидуальными эталонными углеводородами (табл. 4.7) вели в МАДИ на дизеле 14 13/14 с камерой типа ЯМЗ, dKC/d = 0,561 при использовании штатной ТПА разделенного типа с закрытой форсункой и топливным насосом высокого давления типа ТН 9x10, и распылителя с четырьмя распыливающими отверстиями диаметром dp.o. = 0,32 мм. По диаграмме подъема иглы распылителя определяли момент начала впрыскивания, а по индикаторной диаграмме (ИД) - действительный угол опережения впрыскивания, период задержки воспламенения, максимальное давление и скорость нарастания давления при сгорании и другие показатели. Снимали регулировочные по углу опережения впрыскивания при = 1600 мин"1 на разных цикловых подачах (gu = 25, 41, 66, 79, 90 мг/цикл), нагрузочные (при n = 1000 мин \ 1300 мин 1, 2000 мин" ) и скоростные (ц=80мг/цикл) характеристики. Для указанных топлив определяли экспериментальным и расчетным путем характеристики впрыскивания и распыливания и параметры топливной струи, рассчитывали характеристики тепловыделения по модифицированной методике ЦНИДИ, доработанной в Ал ПИ Л.М.Жмудяком.
Для моторных испытаний смесей дизельного топлива Л с бензином А-76 и присадкой ЦГН (табл. 4.8). были приготовлены три группы: (2-1) - группа с постоянным ЦЧ и переменной плотностью; (2-2)-группа с постоянной плотностью и переменным ЦЧ. Обе группы были образованы смешиванием дизельного Л и бензина А-76 с добавлением присадки ЦГН. Группа (2-3) с переменными ЦЧ и плотностью была получена простым смешиванием базовых компонентов. Плотность и температуру разгонки определяли экспериментально, а низшую теплоту сгорания смесей рассчитывали по закону аддитивности.
