Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и постановка задач 11
1.1 Анализ физико-химических свойств перспективных альтернативных топлив дл
1.2Анализ особенностей моторных свойств альтернативных топлив из возобновля
1.3 Анализ рабочего процесса дизеля при работе на рапсовом масле 23
1.4 Перспективы применения математического моделирования рабочего процесса и топливной аппаратуры дизеля .
1.5 Выводы по главе. Цель и задачи исследования 43
2 Исследование характеристик распыленной топливной струи рм на безмоторной экспериментальной установке 46
2.1 Описание экспериментальной установки 46
2.2 Методика эксперимента, измерение и обработка экспериментальных данных .
2.3 Оценка погрешности измерений и обработки опытных данных 51
2.4 Результаты оптического исследования струи распыленного рапсового масла топливной системой Common Rail с применением моно- и дробного впрыска
2.5 Выводы по главе 68
3 Исслодование показателей рабочего процесса, тепловыделения, индикаторного кпд и вредных выбросов на одноцилиндровом отсеке дизеля ук-2 при работе на рапсовом масле
3.1 Описание моторной экспериментальной установки 70
3.2 Методика эксперимента, измерение и обработка экспериментальных данных 82
3.3 Оценка погрешности измерений и обработки опытных данных 86
3.4 Результаты сравнительных моторных исследований с различными системами топливоподачи рапсового масла с применением моно- и дробного впрыска 90
3.4.1 Исследование показателей рабочего процесса 90
3.4.2 Исследование индикаторного расхода топлива 92
3.4.3 Исследование вредных выбросов 93
3.4.4 Исследование тепловыделения 95
3.4.5 Исследование коэффициентов неиспользования теплоты 96
3.5 Выводы по главе 98
4 Численное моделирование рабочего цикла дизеля при использовании дробного впрыска рапсового масла 100
4.1 Описание модели рабочего процесса дизеля 101
4.2 Настройка модели. Оценка влияния дробного впрыска РМ в ТА CR на параметры рабочего цикла 104
4.3 Оценка регулировочных параметров топливной аппаратуры при работе на РМ в ТА CR с применением дробного впрыска 107
4.4 Выводы по главе 112
Заключение 113
Список литературы
- Анализ рабочего процесса дизеля при работе на рапсовом масле
- Оценка погрешности измерений и обработки опытных данных
- Оценка погрешности измерений и обработки опытных данных
- Настройка модели. Оценка влияния дробного впрыска РМ в ТА CR на параметры рабочего цикла
Анализ рабочего процесса дизеля при работе на рапсовом масле
При увеличении вязкости топлива микро- и макроструктура топливной струи становятся грубее, растет дальнобойность, что приводит к увеличению доли пристеночного смесеобразования. Но при этом уменьшаются утечки в плунжерных парах, что улучшает пуск двигателя и позволяет увеличить срок работы двигателя [46, 47, 81, 103, 122].
Плотность топлива, также существенно влияет на характеристику впрыска топлива: по мере увеличения плотности уменьшается сжимаемость топлива и увеличивается скорость распространения возмущений в нем, объемное потребление падает. Плотность РМ составляет 917 кг/м3. Исходя из этого, следует ожидать увеличение максимального давления топливоподачи и уменьшение периода задержки подачи топлива.
Влияние температуры топлива на вязкость и рабочие показатели двигателя. Топлива растительного происхождения представляют собой горючие, воспламеняющиеся жидкости, пары которых с воздухом образуют взрывоопасные смеси. Для оценки потенциальной пожароопасности используют ряд характеристик: - температура вспышки и самовоспламенения; - температура помутнения и застывания. Температурой вспышки оценивают пожароопасность топлива при его транспортировке, хранении и использовании. Минимально допустимые значения температуры вспышки в закрытом тигле для товарных топлив колеблются в пределах от 30 до 40С [83]. Как видно из таблицы 1.4, этот показатель для РМ выше 100С (для дизтоплива 60С), что указывает на меньшую пожаро опасность РМ в сравнении с дизтопливом.
Низкотемпературные свойства топлива оцениваются температурой застывания и температурой помутнения. Для РМ температура застывания составляет -23С. Но при понижении температуры наблюдается существенное увеличение вязкости масла. Топлива с низкой вязкостью, замерзающие при низких температурах, позволяют эксплуатировать технику в холодных условиях без переоснащения ее, в то время как, топлива с высокой вязкостью, замерзающие при высоких температурах, требуют дооснащения техники, эксплуатируемой в холодных условиях, системами подогрева.
Склонность к воспламенению.
Данный показатель является одним из основных для дизельных топлив [54, 98, 118]. Он определяет как возможность использования топлив для двигателей с воспламенением от сжатия, так и процесс сгорания, влияющий на работоспособность двигателя, пусковые качества и его экономико-экологические характеристики. Склонность топлива к самовоспламенению зависит от его химического состава и оценивается цетановым числом (ЦЧ).
Чем выше цетановое число топлива, тем меньше период задержки воспламенения – интервал времени между началом подачи топлива в цилиндр двигателя и его воспламенением. Следствием этого является и более мягкое протекание начальной фазы процесса сгорания, влияющей на жесткость работы двигателя.
В сравнении с нефтяным дизельным топливом РМ обладает меньшей склонностью к самовоспламенению, цетановое число РМ равно 40, тогда как для нефтяного дизельного топлива оно составляет около 45 единиц. Исходя из этого, следует ожидать увеличение периода задержки воспламенения при переходе на РМ.
Теплота сгорания топлива. Теплотворную способность жидких топлив для двигателей внутреннего сгорания оценивают низшей теплотой сгорания, равной количеству выделившейся теплоты при полном сгорании массовой доли топлива, без учета скрытой теплоты парообразования воды. Так как в РМ большое количество атомарного кислорода (более 10%), то это приводит к следующему: РМ обладает меньшей теплотворной способностью в сравнении с нефтяным дизтопливом, 37,3 МДж/кг против 42,5 МДж/кг; теоретически необходимое количество воздуха для окисления одного килограмма РМ оказывается меньше, чем для нефтяного дизтоплива, 12,6 кг/кг против 14,35 кг/кг. Первое обстоятельство указывает на необходимость увеличения на 12% цикловой порции топлива при переходе на РМ с целью подведения к рабочему телу такого же количества тепла, как и в случае использования нефтяного дизтоплива. Зольность характеризует содержание в топливе минеральных веществ. Этот параметр должен быть минимальным, так как зола, оставшаяся в нагаре, значительно способствует изнашиванию деталей цилиндропоршневой группы двигателя. Для РМ этот параметр лучше, чем для дизтоплива нефтяного происхождения.
Содержание воды в топливе может привести к коррозии прецизионных пар топливной аппаратуры, к зависанию плунжеров ТНВД из-за нарушения смазки и, в конечном итоге, к выходу элементов топливной аппаратуры из строя.
Анализ рабочего процесса дизеля при работе на рапсовом масле В последнее время научные исследования в области применения РМ и продуктов его переработки – метилового или этилового эфиров получили широкое распространение [4, 30, 43, 44, 95, 108].
В Германии проводились испытания тракторного дизеля «Steur WD 408/43» на смеси РМ и дизтоплива в равном соотношении [142]. После 287 часов работы наблюдалось залегание колец, засмоление выпускного канала и большой нагар на выпускных клапанах, это говорит о том, что часть масла вообще не участвовала в процессе сгорания, а попадая на детали цилиндропоршневой группы, образовывала нагар. При этом, как отмечают исследователи, элементы топливной аппаратуры, включая распылители, оставались без видимых отрицательных изменений. На предкамерных дизелях «Deutz F3L 912» после 400 часов эксплуатации отмечается закоксовывание сопловых отверстий распылителей, в целом же предкамерные дизели фирмы «Deutz» удовлетворительно работали в условиях рядовой эксплуатации 2 тыс. часов [131]. На основании этих экспериментальных исследований установлено, что вихрекамерные, предкамерные и двигатели с полуразделенной камерой сгорания более приспособлены к работе на РМ, чем двигатели с неразделенной камерой сгорания. Также в Германии исследовалась работа дизелей на смеси РМ с дизтопливом, водой и эмульгатором [142]. Дело в том, что благодаря присутствию воды в составе эмульсии можно добиться более качественного смесеобразования и, следовательно, более полного сгорания такого вязкого топлива как РМ.
В Китае проводились исследования работы дизеля на смеси РМ с ДТ в соотношении 70% ДТ и 30% РМ [131].
На кафедре ДВС НТУ «ХПИ» проводились исследования рабочего процесса дизеля СМД-23 на смесях РМ с ДТ, а также на этиловом эфире РМ [64, 65, 66]. По результатам испытаний сделаны выводы о снижении эмиссий продуктов неполного сгорания на большинстве режимов в случае использования смесевого топлива – СО до 19%, сажи до 20%, в случае использования этилового эфира РМ – СО до 25%, сажи до 33% по сравнению с дизтопливом. На примере выбросов оксидов азота (NOx) наблюдается увеличение его выбросов на средних и высоких нагрузках до 9% и снижение на малых нагрузках до 18% с ростом доли РМ в смеси с ДТ. В случае использования этилового эфира РМ содержание оксидов азота уменьшается на всех режимах до 23%. Предложена оценка эффективности использования растительных топлив на примере рассмотрения среднего эксплуатационного удельного эффективного расхода топлива, среднего эксплуатационного эффективного КПД и выбросов оксидов азота, определяемых по испытательным циклам для конкретного типа двигателя. Также сделаны выводы о том, что смесевые топлива (РМ плюс ДТ) эффективнее применять в тракторных дизелях, а этиловый эфир РМ в автомобильных.
Оценка погрешности измерений и обработки опытных данных
Увеличение давления в ТА на 40 МПа, как видно из графиков на рисунке 2.5 по сравнению с аналогичными графиками на рисунке 2.3, приводит к падению максимальной величины нормированной площади наиболее светлой зоны 6 примерно на 0,35 ед. и росту значений нормированной площади зоны 4 и 5 примерно на 0,1 ед. С ростом давления в ТА при той же продолжительности впрыска топливо быстрее истекает из сопла распылителя по сравнению с теми же графиками, что отражено на рисунке 2.3. Как следствие, концентрация капель топлива возле сопла в начальный момент распыла выше, что и обуславливает падение величины нормированной площади наиболее светлой зоны 6 и рост величины нормированных площадей зон 4 и 5.
Применение дробного впрыска, как видно из графиков на рисунке 2.6, дает почти вдвое рост величины нормированной площади наиболее светлой зоны 6 и почти двукратное падение величины нормированной площади зоны 5 по отношению к тем же графикам на рисунке 2.4 в момент предварительного впрыска порции топлива. Большее давление обуславливает большую скорость капель топлива при истечении из сопла распылителя, а значит более мелкое дробление основной струи о встречные потоки воздушных масс. Так же вследствие увеличения давления наблюдается незначительный рост величины нормированной площади зон 4 и 5 примерно на 0,03 ед. и уменьшение времени необходимого для достижения максимальной величины нормированной площади этих зон примерно на 0,0005 с по отношению к аналогичным графикам на рисунке 2.5. Из чего можно сделать вывод, что на происходящие изменения также влияет возросшая мелкость распыливания ввиду возросшего давления. Рисунок 2.7 - РМ 160МПа, моновпрыск
Сравнивая графики на рисунках 2.5 и 2.7, можно отметить, что с ростом давления до 160 МПа в ТА (моновпрыск) времени на формирование нормированной площади наиболее светлых яркостных зон 5 и 6 требуется меньше примерно на 0,0002 с. Но при этом максимальная величина нормированных площадей, занимаемых этими зонами, практически не изменилась. Исключение составляет зона 4, у которой наблюдается провал величины нормированной площади во времени, а именно в районе 0,002 с, по сравнению с подобным графиком на рисунке 2.6. Но с ростом времени распыла можно заметить увеличение величины нормированной площади зоны 4, возможно это связано со смешением общей массы капель распыленного топлива. Из этого можно сделать вывод, что рост давления обеспечивает уменьшение времени нарастания максимальной величины нормированных площадей распыленного топлива, ввиду ускорения истечения топлива из форсунки. Следовательно, образовавшаяся топливовоздушная смесь имеет на рисунке значительно большую площадь и займет значительно больший объем в КС. Рисунок 2.8 - РМ 160МПа, дробный впрыск
Сопоставление графиков на рисунках 2.6 и 2.8 показывает, что при увеличении давления в ТА в момент предварительного впрыска порции топлива, нормированная площадь зоны максимальной яркости 6 достигает меньших по величине значений примерно на 0,11 ед. при незначительном изменении характера протекания (по величине) нормированной площади зоны 5. При впрыске основной порции топлива величина нормированной площади зоны 5, как видно из графика на рисунке 2.8, быстрее по времени достигает максимума по сравнению с подобным графиком на рисунке 2.6, что говорит об увеличении скорости нарастания величины нормированной площади во времени.
Если сопоставить графики на рисунках 2.7 и 2.8, то нельзя не отметить, что применение дробного впрыска при одном и том же давлении дает значительное увеличение величины нормированной площади яркостной зоны 5 примерно на 0,4 ед. при незначительном присутствии нормированной площади зоны максимальной яркости 6 в момент впрыска основной порции топлива. Похожая картина наблюдается и у предыдущих двух величин исследуемых давлений.
С целью определения влияния массы порции предварительно впрыснутого топлива при дробном распыле автором было принято решение рассмотреть массу предварительного впрыска 5 и 10% от основной порции топлива, соответствующей режиму при n=1500 мин-1. В результате были получены
Как видно из графиков на рисунке 2.9, при использовании величины первой порции 5% от основной массы предварительно впрыснутого топлива можно наблюдать снижение величины нормированной площади, занятой зоной максимальной яркости 6 в процессе предварительного впрыска топлива. В процессе распыла основной порции топлива можно наблюдать ее незначительный рост и ослабление по величине по отношению к остальным зонам, и, как
Оценка погрешности измерений и обработки опытных данных
Для определения необходимых регулировочных параметров рабочего процесса двигателя, особенно на стадии проектирования и последующей доводки, не достаточно только лишь численных расчетов, требуется проведение математического моделирования и компьютерной оптимизации. Особенно это становится все более актуальным ввиду все более ужесточающихся нормативов, ограничивающих выбросы вредных веществ, требований экономичности и высокой удельной мощности. Проведенные заранее расчеты, связанные с вопросами совершенствованием рабочих циклов ДВС, топливной аппаратуры и систем воздухоснабжения, позволяют существенно сократить объем экспериментальных работ. Но для этого программное обеспечение должно позволять адекватно моделировать соответствующие процессы. Чем полнее математическая модель охватывает рассматриваемые физические процессы и корректнее их описывает, тем точнее и надежней может быть получен результат. Кроме того программное обеспечение должно обладать возможностью решать сложные оптимизационные задачи. Но помимо всего выше сказанного куда более важно, если расчет позволяет найти эффективные пути совершенствования конструкции, отыскать оптимальные значения многих конструктивных факторов, по-разному влияющих на рабочий цикл, и, порой, приводящих к конфликтным ситуациям. К примеру, необходимо найти такое сочетание формы камеры сгорания и конструкции топливной аппаратуры, которое обеспечит одновременное снижение и расхода топлива и эмиссии NOX. Оценка одного или даже двух параметров методом перебора зачастую не позволяет получить хорошего результата для задачи с большим числом влияющих факторов. Для оценки повышения эффективности решения оптимизационных задач многие авторы используют формальные поисковые процедуры нелинейного программирования, которые позволяют вести оптимальный поиск в автоматическом режиме. Чтобы реализовать такую возможность, ядро программы, реализующее математическую модель исследуемого процесса, должно обладать помимо необходимой точности еще и высоким быстродействием, т.к. при поиске оптимума приходится проводить расчеты многих тысяч вариантов конструкции.
В общем случае задача доводки двигателя до высоких технико-экономических показателей может быть представлена как задача отыскания экстремума функции многих переменных, где в качестве функции цели выступает удельный эффективный расход топлива или иной эффективный показатель; в качестве независимых переменных – такие параметры как: фазы газораспределения, степень сжатия, параметры топливной аппаратуры, параметры наддува и т.д. В качестве ограничений используются показатели, характеризующие выбросы вредных веществ и нагруженность комбинированного ДВС: максимальные значения давлений, температур; требования к октановому числу бензиновых ДВС; запас по помпажу и т.п. Для определения функции цели и ограничений для каждого конкретного сочетания независимых переменных используется математическая модель конструкции двигателя внутреннего сгорания (КДВС).
Автором в работе был использован программный комплекс «ДИЗЕЛЬ–РК» [38, 39, 40, 41] (НИРС, не коммерческое использование). Для того чтобы сделать комплекс доступным широкому кругу пользователей, разработчиками реализована поддержка работы с удаленными клиентами через сеть Интернет. Для удаленного доступа к программе достаточно загрузить файл с дистрибутивом клиентской части и установить клиентскую часть на свой компьютер. Только после внесения в клиентской части программы всех необходимых настроек через интернет отправляется запрос на сервер программного комплекса «ДИЗЕЛЬ–РК» [38] для проведения расчетов, по завершении которых, в клиентской части программы появляется таблица расчетных данных.
Программный комплекс «ДИЗЕЛЬ-РК» предназначен для расчета и оптимизации комбинированных двигателей внутреннего сгорания. От аналогов он отличается тем, что имеет современную модель смесеобразования и сгорания в дизеле, а также аппарат многопараметрической оптимизации.
Адекватность программы была проверена применительно к десяткам двигателей разного типа и назначения ведущих производителей и исследователей двигателей в России и за рубежом. Крупнейшие среди них ОАО "Коломенский завод" (г. Коломна), ОАО "Горьковский Автозавод" (г. Н. Новгород), ОАО "КамАЗ" (г. Набережные Челны). ОАО "ЗИЛ" (г. Москва), ОАО "Заволжский моторный завод" (г. Заволжье), ОАО "Владимирский тракторный завод" (г. Владимир), ОАО "Автодизель" (г. Ярославль), ОАО "Алтайский завод прецизионных изделий" (г. Барнаул), ОАО "РУМО" (г. Н.Новгород), Институт Моторов (г. Неаполь, Италия) Istituto Motori-CNR, Nalpes – ITALY. Большой объем расчетных работ выполнен для предприятий аэрокосмической отрасли России.
Программный комплекс «ДИЗЕЛЬ-РК» предназначен для: - термодинамического анализа ДВС, - исследования наддува, - исследования влияния фаз газораспределения, - исследование влияния топливной аппаратуры и формы камеры сгорания, - исследования системы рециркуляции отработавших газов. На протяжении всего своего развития эта программа имела самые совершенные математические модели сгорания в дизеле [39, 40, 41].
Программный комплекс «ДИЗЕЛЬ-РК» принадлежит к классу «термодинамических» программ: цилиндры и коллекторы двигателя рассматриваются как открытые термодинамические системы, обменивающиеся между собой массой и энергией рисунок 4.1. Течение газа в каналах, соединяющих открытые термодинамические системы, рассматривается как нестационарное.
Настройка модели. Оценка влияния дробного впрыска РМ в ТА CR на параметры рабочего цикла
В результате выполнения настоящего исследования решена научно-техническая задача по улучшению экономичности и снижению вредных выбросов дизеля при работе на РМ интенсификацией процесса смесеобразования и сгорания за счёт применения системы повышенного давления типа CR и дробного впрыска топлива. Проведен комплекс исследований динамики, структуры распыленной струи рапсового масла на безмоторной (оптической) экспериментальной установке, рабочего процесса, вредных выбросов на одноцилиндровом отсеке дизеля УК-2 и выполнено численное исследование по выбору оптимальных регулировочных параметров ТА с использованием программного комплекса "ДИЗЕЛЬ-РК". Выявлено следующее:
Наиболее перспективным видом топлива из возобновляемых источников являются растительные масла, а именно РМ. Основной проблемой применения РМ является повышенная вязкость, ухудшающая распыливание. Для снижения вероятности переобогащения топливом фронтальной и центральной части распыленной струи, а значит увеличения индикаторного КПД и снижения вредных выбросов, перспективно применение повышенного давления и дробного характера впрыска топлива.
В результате исследования на безмоторном стенде показателей оптической плотности, структуры и динамики распыленной топливной струи РМ сделано заключение об улучшении качества струйного смесеобразования при росте давления и дробном впрыске РМ:
Увеличение давления от 80 до 160 МПа при моновпрыске приводит к росту примерно на 50% суммарной площади яркостных зон струи с менее плотной структурой, не переобогащенных топливом. При дробном впрыске отчетливо видно два пика образования светлых зон, не переобогащенных топливом, соответствующих распыливанию первичной и основной порции; образование яркостных зон распыливания основной порции смещается в позднюю сторону, примерно вдвое увеличивается площадь светлых зон по сравнению с моновпрыском топлива, а темные зоны с переуплотненной структурой практически не проявляются.
Увеличение давления впрыска при моновпрыске приводит к росту начальной скорости фронта струи на 70 %, увеличению максимальной скорости фронта струи примерно на 30 %, а затем ускоренному ее затуханию. При дробном впрыске происходит уменьшение максимальной скорости фронта струи примерно на 50-60 % и резкое снижение скорости фронта на заключительном этапе, что приводит к снижению дальнобойности, а продолжительность развития струи затягивается, это предполагает изменение УОВТ в дизеле на более ранний. С ростом массы предварительно впрыснутого топлива от 5 до 10 % равномерность оптической плотности струи снижается, растет дальнобойность, что увеличивает вероятность попадания большей доли топлива на стенки камеры сгорания.
Разработана опытная система ТАНД для подачи смесевых топлив и форсунка для ТА типа CR, которые защищены патентами на полезную модель.
По результатам моторных исследований проведена сравнительная оценка зависимости показателей рабочего процесса, тепловыделения, индикаторного КПД, вредных выбросов дизеля при работе на РМ с использованием ТА повышенного давления типа CR и дробного впрыска:
Применение ТА CR как с моновпрыском, так и с дробным впрыском ведет к уменьшению индикаторного расхода топлива, а также росту максимального давления, жесткости сгорания в КС дизеля, температуры цикла и температуры ОГ по сравнению с ТАНД. Для ТА CR моно- и дробного впрыска характерно увеличение выбросов NOx, температур и давления в цилиндре, снижение CO и дымности. Снизить NOx возможно корректировкой УОВТ. Количество выделившейся теплоты XI во взрывной фазе составляет для ТАНД 10%, для ТА CR (моновпрыск) - 19%, для ТА CR с дробным впрыском 6%, что определяет меньшую жесткость процесса ТА CR с дробным впрыском по сравнению с моновпрыском, а значит, предполагает резерв снижения образования
Анализом индикаторного КПД показано, что переход от ТАНД к ТА CR ведет к уменьшению коэффициента несвоевременности ввода теплоты нс примерно на 0,014 ед., применение дробного впрыска приводит к росту нс на режимах малых и средних нагрузок и уменьшению при больших нагрузках примерно на 0,01 ед. Индикаторный КПД на больших нагрузках выше примерно на 5% для ТА CR с дробным впрыском.
С целью обеспечения заданных ограничительных значений по топливной экономичности, Pi, NOx и дымности обосновано применение программного комплекса моделирования рабочего процесса «ДИЗЕЛЬ–РК», с помощью которого проведено исследование, и определены рекомендуемые (оптимальные) параметры ТА Pвпр=120 МПа, dотв=0,22 мм и УОВТ=18 для дизеля 13/14 с КС типа ЯМЗ с ТА повышенного давления типа CR при использовании дробного впрыска.
Таким образом, цель работы достигнута, поставленные задачи выполнены. Направлением дальнейшего развития темы может являться: исследование возможности использования других высоковязких масел в качестве альтернативного топлива; установление взаимосвязи между результатами оптического исследования структуры и динамики распыленной струи РМ и параметрами смесеобразования, рабочего процесса для уточнения математических моделей, согласование динамики струи распыленного РМ и формы камеры сгорания с учетом результатов оптических исследований.
