Обеспечение воспламенения различных топлив в дизеле с камерой сгорания в поршне электрическими свечами накаливания Малоземов, Андрей Адиевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Одним из перспективных путей развития двигателестроения является дальнейшее совершенствование конструкций дизелей 'в направлении улучшения их мощностных показателей, повышения топливной экономичности, надежности, долговечности, снижения дымноети, токсичности и шумноети работы, расширения диапазона применяемых топлив, в том числе и за счет их нетрадиционных видов.

В настоящей работе рассматривается -проблема обеспечения воспламенения низкоцетановых топлив в дизеле путем использования в качестве источника принудительного воспламенения - электрической свечи накаливания (СН), устанавливаемой в камере сгорания. Свеча накаливания позволяет не только расширить номенклатуру применяемых топлив, но и улучшить пусковые свойства дизеля, достичь большей управляемости рабочего цикла. Использование СН в дизелях нуждается в теоретическом обосновании, однако недостаточная разработанность математических моделей процесса воспламенения топливо-воздушной смеси от СН не позволяет на стадии проектирования с достаточной достоверностью оценить период задержки воспламенения (ПЗВ), который оказывает существенное влияние на рабочий цикл. Недостаточно изучены вопросы влияния особенностей установки СН и режима ее работы на процесс воспламенения и параметры рабочего цикла дизеля. В этой связи проблема использования СН для облегчения воспламенения низкоцетановых топлив является актуальной.

Цель исследования. Повышение эффективности использования электрических свечей накаливания для улучшения многотопливных свойств дизеля .

Задачи исследования:

1. На основе анализа механизма воспламенения топлив различных свойств в камере сгорания дизеля со СН разработать математическую модель определения ПЗВ.

2. Выявить критерии воспламеняемости топлива с использованием СН.

3. Оценить влияние свойств топлива на процесс воспламенения с
использованием свечи накаливания.

4. Установить влияние процесса смесеобразования, способа
установки СН и решма ее работы на период задержки воспламенения.

5. Определить влияние режима работы двигателя на процесс
воспламенения топлива от свечи накаливания.

Объект исследования: дизель 1415-0/20.5 с камерой сгорания в поршне типа ЦНЩЩ со свечами накаливания.

Научная новизна: Установлены зависимости ПЗВ от режимов работы дизеля со СН на топливах различных физико-химических свойств. Определено влияние способа установки и режима работы СН на ПЗВ.

Практическая ценность. Разработаны рекомендации по использованию СН в дизеле промышленного трактора при работе его на смесях дизельного топлива и бензина, на бензине, а также на керосине и 'газоконденсатних топливах. Предложена методика определения ПЗВ в дизеле со СН при использовании различных видов топлива на стадиях проектирования и доводки рабочего процесса.

Реализация результатов исследования. Результаты

исследований используются при создании многотопливной модификации дизеля Д-160 на АО "Уралтрак".

Апробация. Основные положения диссертационной работы обсувдались и одобрены на научно-технических конференциях в ЧГАУ (г.Челябинск 1994-1995гг.) и ЧГТУ (г.Челябинск 1995г.).

Публикация результатов исследований. По результатам исследования опубликовано 4 работы и представлена заявочная документация на "Способ работы свечи накаливания в камере сгорания дизеля" И95-Ю2755/06(005053), дата приоритета: 24.02.95г.

Объем диссертации. Диссертация изложена на 159 страницах, из которых 124 страницы машинописного текста (введение, пять глав, заключение), 3 приложения, рисунков 43, таблиц 7, список литературы включает 94 наименования.

В первой главе дан обзор способов обеспечения многотопливных свойств дизеля, конкретних конструкций реализующих эти способы и анализ особенностей рабочеі'о цикла многотояливного лиселя. На основе результатов анализа обосновано применение источника принудительного ' воспламенения, как средства улучшения многотопливных свойств дизеля. Рассмотрены особенности рабочего цикла при использовании СН.

Повышение эффективности использования СН в качестве источника воспламенения сдерживается недостаточной разработанностью теории принудительного воспламенения тоилинно-воздушной смеси в камере сгорания многотошшвного дизеля, в частности методов определения ПЗВ. В этой связи определение ПЗВ в многотошщвном дизеле возможно при повышении дострверности математической модели процесса принудительного воспламенения топлив различного фракционного состава от СН. Исходя из этого сформулированы ' цель и задачи данного исследования.

Во второй главе приведены обзор методов определения ПЗВ различных топлив в дизелях с самовоспламенением и оценена возможность их использования для расчета ПЗВ в дизеле со СН. Определены возможности использования существующих теорий воспламенения топливно-воздушной смеси накаленным телом для оценки ПЗВ. Обоснованы направления работы ло достижению поставленной цели.

Объем пограничного слоя факела топливо-воздушной смеси, окрукащего поверхность нагревательного олемента СН можно условно разделить на две зоны: зону непосредственно соприкасающуюся о накаленной поверхностью, гдо процесс активации молекул топлива существенно отличается от такового при самошешіаменеіши, и зону несоприкасающуюся с поверхностью, где процесс активации молекул топлива аналогичен процессу самовоспламенения в части приращения температуры смеси саморазогревом от реакции окисления. Поэтому принципы, используемые при определении периода задержки самовоспламенения, могут быть применены при расчете ПЗВ с воспламенением от СН.

Авализируя известные способы определения периода задержки самовоспламенения, можно заметить, что в основе большинства из них лежит функция тепловыделения реакции с нормальной кинетикой (закон Аррениуса):

Р(Г)=С-ехр(-Е_а/(к-Т_т)), (і)

где С - константа; Е„ - внергия активации молекул топлива, Дж/ыоль; К - универсальная разовая постоянная, Дж/(моль-К); Т -температура смеси, К. .

Так иироко распространенное уравнение А'.И.Толстова имеет вид:

t^-P'^V^-exptEgAR-T,,)). (2)

где А - константа; Р - давление в камере сгорания, Ш1а: il -порядок реакции.

Известные методы не могут быть без существенных погрешностей применены для расчета ПЗВ в дизеле со СН вследствии различия процессов самовоспламенения и принудительного воспламенения на начальном етапе и в зоне непосредственного контакта смеси и накаленной поверхности.

Теории воспламенения движущейся топливо-воздушной смеси накаленным телом, основанные на законах математической статистики и сохранения внергии, в конечном итоге приводят к уравнениям аналогичным рассмотрении выше. Тепловая теория Я.Б.Зельдовича, согласно которой критическим условием воспламенения является равенство нули градиента температуры вблизи накаленного тела, утверждает, что:

— =/ , (3)

К / V^Ea

где Х_т - коэффициент теплопроводности топлива, Дк/(м-град); Т_в -температура принудительного воспламенения топлива, К.

Наиболее разработана и универсальна теория, предложенная академиками Н.Л.Хитриным и С.А.Гольденбергом и основанная на совместном решении уравнений теплопереноса (Фурье) и массопереноса (Навье-Стокса):

р_п с_л (эт/эг hj эТ/эх+о,, эт/эу ш_ ЭТ/Э2 )=

и и х у *»

^X-(3²T/3x²+a²T/ay²+a²T/3z²)fQ -k₀-o_m-exp(-E_a/(R-T)) (4)

зо/эт +u_xэо/эх+u эс/эу+о₂-ao/aa=
^D-(a²o/3x²f3²e/ay²+a²c/3z²)-k₀-a_m-exp(-E₃/(R-T)) (5)

-і где p„ - начальная плотность топлива, кгЛг; 0«, с, с_щ -

начальная, текущая н средняя концентрация топлива, кг/кг; <а

-скорость потоки топливо-воздушной смеси (вдоль осей х, у и г

соответственно), м/с: k_Q - константа; Q - тепловой оффект

реакции, Дк; D - кооффициент диссоциации, Т - текущая температура

топливо-воздушной смеси, К.

Эти теории в чистом виде затруднительно использовать для определения ПЗВ в дизеле со СН, т.к. они не учитывают особенностей его рабочего цикла. Однако, некоторые их положения могут явится базой при создании методики расчета ПЗВ в дизеле со СН.

В третьей главе приведены результаты теоретических

исследований по определении ПЗВ различных топлив в рабочем цикл дизеля со СН, получена математическая модель процесса принудительного воспламенения топлива от СН, найдены граничные условия восшшменешя. На основе математической модели разработана методика расчета ПЗВ в дизеле с камерой сгорания в поршне с электрическими СН.

При создании математической модели процесса восшюменния топливо-воздушной смеси в камере сгорания дизеля использована гипотеза предполагающая,что процесс воспламенения потока смеси от СН сочетает черты как принудительного воспламенения, так и самовоспламенеїшя. При этом процесс воспламенения рассматривается гсяк двухитагшыА: на первом етапе - в соне непосредственного

-b-

контакта топливо-воздушной смеси с накаленной поверхностью, где молекулам топлива от свечи сообщается энергия намного превышающая энергию активации и приводящая к гибели активных центров бес выделения тепла, а на втором - вследствие рассеивания и поглощения энергии в объеме пограничного слоя, молекулы топлива в зоне не входящей в непосредственный контакт с накаленной поверхностью, приобретают энергию превышающую- энергию активации, но не приводящую к гибели активных центров. На последнем этапе начинается процесс саморазогрева смеси, приводящий к необратимости воспламенения, топлива в остальном объеме камеры сгорания.

В соответствии о этой гипотезой, при создании математической модели процесса воспламенения, использованы уравнения тепло- и иассопереноса (4,5) к уравнение тепловыделения реакции с нормальной кинетикой (1). При этом сделан ряд допущений: во-первых, теплопередача в пограничном слое осуществляется только за счет теплопроводности в его объеме, тогда уравнение Навье-Стокса можно не использовать; во-вторых, теплопередача массопереносом вдоль оси у не зависит от теплопроводности вдоль оси ж, тогда можно опустить член а -эТ/ау в уравнении (4): в-третьих, процесс рассматривается в плоскости перпендикулярной оси свечи, тогда можно опустить член . u„-aT/3z в уравнении (4); в-четвертых, тепловыделение за счет химической реакции очень мало по сравнению с мощностью света накаливания, поэтому на начальном этапе расчета можно допустить, что Т(Т)=0. В качестве одного из граничных условий использовано положение Я.Б.Зельдовича о равенстве нулю градиента температуры в момент воспламенения. Градиент температуры находился как сумма градиентов температуры от реакции саморазогрева {по выражению (3)) и градиента температуры, зависящего от СН.

В итоге получен ряд зависимостей связывающих величину ПЗВ -т^ с конструктивными параметрами и характеристиками режима работы

дизеля, а таїсзке с физико-химическими свойствами используемых топлив, при этом ГОВ рассматривается в виде выражения:

V^ll^+tCH' t6)

он ^v в в ^v т а

Т. =ln(/ 2-IMT_R)-R-T ²/(Х_ф-Е_а)/(.Т ))/(-²-а), (7)

е=_арсв11>^Т_сн²-Т,²)/(Т_ш²4.Т_ен2)/8_в. (8).

VV<^TcH-^^Scf^/Pc_Hv (9)

где Т, - время распространения топливного факела от сопла форсунки до поверхности СН, с; а_т - температуропроводность топлива, м/с;

Г.„ - температура поверхности СН, К; !„ - коэффициент

к теплопроводноси воздуха, Дж/(м-град); Tv - температура в камере

сгорания в конце периода т,, К: S„„ - площадь активной

(соприкасащейся с топливным факелом) поверхности СН, иг; Р_п„ -

мощность СН, Вт.

Кроме того получены выражения определявшие граничные условия

воспламенения топлива от свечи накаливания:

. w'vv- <¹⁰⁾

^TCH^2PCH^/(Scf-' V²*⁽V-^r-*b /

где fe. - эмпирический коэффициент; d - диаметр шгтифта свечи, м; и» - скорость топливного факела, м/с.

Выражения (6-11) служат основой для создания методики расчета ПЗВ различных топлив в дизеле с камерой сгорания в поршне с элекрическими СН. Алгоритм этой методики имеет следующий вид:

НАЧАЛО

Находится величина t-y.

-e-

условия: х,<и самовоспламенения.

2. Проверяется возможность самовоспламенения из "^ов где: і?^в -период задержки

Расчитывается температура топлива в конце периода Г, - Г , еоответсвующие отой температуре физические характеристики топлива, а также физические характеристики воздуха сооветствующиетемпературе Т^.

Созданная на основе данного алгоритма и полученной математической модели методика использована для расчета периодов задеркки воспламенения дизеля 1415.0/20.5 со СН. При работе указанного дизеля по нагрузочной. внешней скоростной и

регулировочной по углу опережения подачи топлива харзкеристикам, рис. 1. получены результаты совпадающие о результатами расчета (коэ(№ициент парной корреляции экспериментальных и теоретических

значений t.: г „ „

j _ттоор

_ґвкс 1

-0.895).

град.пк.в.

Рио.1. Влияние угла начала подачи топлива на период задержки воспламенения дизеля 1415.0/20.5 со свечой накаливания (а_ц=0.126 г/цикл (А-76), ч_ц=0,129 г/цикл (диз.топливо), п=1070 мин^-1):

—ж бензин А-76, СН выключена, экспериментальные данные;

о бензин А-76, СН включена, экспериментальные данные;

А бензин А-76, СН включена, результаты расчета;

—х— диз. топливо, СН выключена, экспериментальные данные;

—о— диз. топливо, СН включена, экспериментальные данные;

—д— диз. топливо, критическая величина г^; бензин А-76, критическая величина г..

--L-.

Анализ влияния процессов , смесеобразования, вида топлива и режима работы СН на величину ГОВ проведен на основании результатов теоретического исследования режимов работы дизеля.

В четвертой главе рассмотрены цели, задачи и методы проведения экспериментальных иооледований рабочего цикла в дизеле со свечами накаливания. Описаны экспериментальная установка, приборы и оборудование, методики нахождения эмпирических коэффициентов, используемых при расчете периода задержки воспламенения, методики обработки результатов эксперимента.

Экспериментальная установка создана на базе двигателя 1415-0/20.51 представляющего собой одноцилиндровый' отсек дизеля Д-160. В головку цилиндра установлена штифтовая однопроводная свеча накаливания фірми "MAGNBTra-MARELLI" (номинальная мощнось 129 Вт при напряжении питания 24 В) (ем. рис. 2).

Рис.2.Головка цилиндра дизеля 1415.0/20.5 со СН: 1 -форсунка, 2 -свеча накаливания, 3 -головка цилиндра, 4 -промежуточная втулка, 5 -камера сгорания , 6 -поршень.

Установка оборудована необходимыми для проведения експерименте системами обеспечения ее работы и измерительными приборами. Исследования проводились с использованием дизельного тошшва, бензина А-76»смеси бензина А-76 . и дизельного тошшва (5056/50 по объему), керосина осветительного, газового конденсата

Мастахского месторождения, обладающих широким диапазоном физико-химических свойств и позволяющих распространить вьюоды по результатам эксперимента на другие виды жидкого топлива.

На первом отапе определялись вольт-амперная и температурная характеристики СН при прокручивании коленчатого вала двигателя без пуска. На втором отапе определялись пусковые, нагрузочные, внешние скоростные, регулировочные по 9_П характеристики на четырех видах топлива; дизельном, керосине, газовом конденсате, бензине А-76, смеси бензина А-76 и дизельного топлива {Ь0%/ЬО% по объему) без СН. Цель этапа - определение необходимости использования источника принудительного воспламенения при работе дизеля на различных видах топлива. На третьем этапе эксперимента определялись аналогичные характеристики при установленной в головке цилиндра СН и выключенном питании с целью оценки влияния установки СН на показатели рабочего цикла На четвертом етапе определялись те же характеристики при напряжении питания свечи U =24В. Использовались дизельное топливо и бензин А-76. Цель этапа -определение влияния СН на рабочий процесс дизеля. На пятом етапе определялась регулировочная характеристика по напряжению питания свечи на бензине А-76 с целью оценки, влияния мощности СН на рабочий цикл. Все этапы эксперимента выполнялись с целью подтверждения результатов теоретического исследования ПЗВ в дизеле с камерой сгорания в поршне а электрическими СН.

В пятой,главе приведены результаты экспериментальных исследований, их анализ, сформулированы выводы и рекомендации по способу установки и режимам работы СН. Дан анализ сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований ПЗВ, сформулированы выводы по возможности использования предлагаемой методики в практике конструирования и расчета многотопливных дизелей с воспламенением от электрических СН, обоснована экономическая эффективность применения свечей накаливания для обеспечения многотопливных свойств дизеля (коэфащиент отношения приведенных годовых затрат по сравниваемым вариантам дизеля со свечами и без свечей к^. _г =2.01, при уровне достоверности 0.55).

-P.

s t

г і

\j

20 40 f

hO 20 і

град, n на

Рис.3.

Индикаторная диаграмма дизеля 1415.5/20. со

^СН(Єпод~^{25 г}РаД.п.к.в

п=1070 мин. ) на бензине А-76:

Р =0.40 МПа, свеча включена: Р =0.39 МПа, свеча выключена:

Р =0.02 МПа, свеча включена;

Р =0.02 МПа, свеча выключена.