Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Схемы управления и рабочие процессы газодизельных двигателей . 10
1.1. Принцип действия и исходные параметры. 10
1.2. Регулирование подачи запального дизельного топлива. 11
1.3. Регулирование мощности газодизельного двигателя. 14
1.4. Особенности рабочих процессов газодизеля. 20
1.5. Математическое моделирование рабочих процессов газодизельных двигателей внутреннего сгорания . 34
1.6. Выводы. 37
Глава 2. Методика экспериментального исследования. 39
2.1. Общая методика эксперимента. 39
2.2. Экспериментальная установка. 42
2.3. Информационно-измерительный комплекс. Измерительная аппаратура . 48
2.4. Обработка результатов исследования. 56
2.5. Индикаторные показатели. 59
2.6. Оценка погрешностей результатов экспериментального исследования. 65
2.7. Выводы. 68
Глава 3. Результаты экспериментального исследования рабочего процесса газодизельного двигателя . 69
3.1. Программа экспериментов. 69
3.2. Основные параметры и характеристики газодизеля. 70
3.2.1. Расходы воздуха, газа и дизельного топлива. 70
3.2.2. Коэффициент избытка воздуха. 72
3.2.3. Эффективный КПД. 74
3.2.4. Температура отработавших газов. 79
3.3. Параметры рабочего цикла. 81
3.3.1. Параметры впрыска жидкого топлива. 81
3.3.2. Максимальное давление цикла. 82
3.3.3. Скорость нарастания давления. 85
3:4. Период задержки самовоспламенения топлива. 87
3.4.1. Влияние угла опережения впрыска на период задержки самовоспламенения . 87
3.4.2. Влияние количества запального топлива на период задержки самовоспламенения. 92
3.4.3. Влияние дросселирования газовоздушной смеси на период задержки самовоспламенения. 93
3.4.4. Химические эффекты при использовании топливных смесей. 94
3.5. Характеристика тепловыделения. 95
3.5.1. Показатели первой фазы тепловыделения. 95
3.5.2. Продолжительность второй фазы сгорания. 96
3.6. Экологические показатели газодизельного двигателя. 100
3.7. Выводы. 104
Глава 4. Методика расчета рабочего процесса газодизельного двигателя . 106
4.1. Термодинамическая модель рабочего цикла. 106
4.2. Физическая и математическая модель выгорания и тепловыделения. 112
4.3. Скорость распространения пламени. 117
4.3.1. Ламинарная скорость распространения пламени. 119
4.3.2. Турбулентная скорость распространения пламени. 125
4.4. Определение параметров тепловыделения. 130
4.5. Алгоритм и программа расчета рабочего процесса газодизельного двигателя . 136
4.6. Оценка направлений рационального выбора регулировок двигателя 138
4.7. Выводы. 143
Заключение. 144
Литература. 146
Приложение. 155
- Математическое моделирование рабочих процессов газодизельных двигателей внутреннего сгорания
- Информационно-измерительный комплекс. Измерительная аппаратура
- Влияние угла опережения впрыска на период задержки самовоспламенения
- Алгоритм и программа расчета рабочего процесса газодизельного двигателя
Введение к работе
С каждым годом во всем мире расширяется использование природного газа в качестве моторного топлива для разных типов силовых установок. Природный газ в качестве альтернативного топлива сейчас является наиболее перспективным. Он имеет значительные преимущества перед другими топливами. По удельным затратам труда, капиталовложениям и потребительской стоимости газ значительно экономичнее угля и нефтяного топлива. Огромное значение имеет также удобство использования газа: нет необходимости в устройствах для предварительной подготовки и подачи, которые требуются при использовании твёрдых и жидких топлив, регулирование подачи газа несложно, газ легко смешивается с воздухом и другими газами.
В связи с увеличением стоимости дизельных топлив и исчерпаемостью природных запасов нефти, интерес к газовым двигателям возрастает. В частности, выгодные свойства газа как моторного топлива находят достаточно полную реализацию в конструкции и эксплуатационных показателях газодизелей. Связано это с тем, что газодизели, в основном строятся на базе дизелей, причём непосредственно дизелестроительной промышленностью.
Достоинства газодизеля: меньшая на 3-5Дб шумность работы; увеличение срока службы двигателя и интервалов смены моторного масла. Что касается токсичности отработавших газов, то по последним данным суммарный выброс вредных веществ у газодизелей на 25% меньше, чем у дизеля, а выброс твердых частиц на порядок меньше.
Внедрению газодизелей в значительной мере способствует также простота их унификации с жидкотопливными двигателями. При этом высокие качества газа как моторного топлива обеспечивают повышение некоторых важных эксплуатационных показателей двигателей при переводе их на газ. Газодизели просты по устройству, надёжны в работе и долговечны.
Для перевода дизеля на газожидкостный цикл необходимо оснастить двигатель газовой системой питания и перестроить механизм управления
подачей дизельного топлива. Степень сжатия остается без изменения, что обеспечивает высокую экономичность газодизеля. Остается возможность работы двигателя в дизельном режиме, что имеет важное значение в случае нестабильности поставок газового топлива.
Характерными особенностями применения в двигателях газообразных топлив являются значительное снижение износа основных деталей, уменьшение расхода смазочного масла и понижение требований.
Для получения адекватного экономического эффекта от конвертации дизеля на газодизельный цикл необходимо по возможности минимизировать долю жидкого топлива, при этом необходимо поддерживать эффективный КПД на заданном уровне. Реализация такой задачи возможна в процессе исследовательской работы по оптимизации рабочего процесса газодизельного двигателя. Несомненно, что такая оптимизация нуждается в теоретическом обосновании с использованием методов математического моделирования и должна базироваться на понимании процессов происходящих в камере сгорания газодизеля, с прогнозированием технических мероприятий с экспериментальной оценкой их эффективности. Так, необходимо представлять суть физических и химических процессов, инициирующих и сопровождающих сгорание топлива при газожидкостном процессе.
Цель исследования заключается в создании физически обоснованной математической модели рабочего процесса и разработке на ее основе направлений для совершенствования рабочего процесса газодизеля. Реализация поставленных целей, в результате анализа состояния теории газодизельных двигателей на данном этапе, потребовала решения следующих задач:
Проведения углубленных экспериментальных исследований с целью выявления влияния различных факторов на параметры рабочего процесса газодизеля.
Проведения всесторонних теоретических исследований для установления рода зависимостей от основных параметров, определяющих скорость распространения фронта пламени в газовоздушных смесях.
Получения зависимостей, позволяющих адекватно описывать характеристику тепловыделения.
Создания математической модели и алгоритма расчета рабочего процесса газодизеля и апробирования программы расчета на ПЭВМ.
В диссертационной работе проведен анализ особенностей рабочего процесса газодизеля, вариантов его практической реализации, а также методик расчета динамики тепловыделения газодизеля. В результате анализа определены основные направления их развития. Газодизельный двигатель обладает рядом преимуществ по сравнению с дизелем, в том числе меньшим уровнем шума, большим моторесурсом, лучшими экологическими показателями, и наконец, меньшим расходом жидкого топлива. Многообразие схем и конструкций управления подачей топлива в газодизелях свидетельствуют о сложной взаимосвязи между факторами, определяющими эффективность процесса, и отсутствии единого подхода к решению проблемы. Противоречивость данных, приводимых различными авторами о рабочем прцессе и протекании сгорания в газодизеле, во многом определяется тем, что в рассмотренных случаях скорее всего использовались различные виды газовых топлив, а также способы регулирования и виды топливной аппаратуры. Это не позволяет выработать конкретные рекомендации по оптимизации рабочего процесса при конвертации дизельных двигателей для работы на газе. Обзор математических моделей газодизельного процесса показал, что работы в этом направлении ведутся с недостаточной интенсивностью, что связано со сложностью описания процесса. Сформулированы задачи исследования (гл. 1).
Экспериментальному исследованию рабочего процесса газодизеля посвящена вторая глава. Сформулированы цели экспериментальных исследований и методика их проведения. Для реализации экспериментов разработана экспериментальная установка, позволяющая установить зависимость основных показателей работы двигателя от режимных и регулировочных параметров, а также оценить влияние различных факторов на индикаторный КПД, задержку самовоспламенения дизельного топлива,
максимальное давление сгорания и скорость повышения давления. Для исследования параметров рабочего процесса газодизеля разработан и реализован информационно-измерительный комплекс на базе ПЭВМ. Произведена оценка погрешности измерений.
В третьей главе произведен анализ данных, полученных в результате экспериментального исследования. Приведены количественные оценки влияния отдельных величин и факторов на параметры рабочего процесса. Получены зависимости характеристик тепловыделения от долей теплоты газа и дизельного топлива, и режимов работы газодизельного двигателя. Выполнена сравнительная оценка эффективности работы газодизельного двигателя в зависимости от сочетания различных входных параметров.
В заключительной четвертой главе предложена методика расчета рабочего процесса газодизеля. Рассмотрено влияние различных физических факторов, определяющих сгорание в цилиндре газодизельного двигателя. Скорректировано значение энергии активации для расчета периода задержки в газодизеле. Выбрана формула для описания динамики тепловыделения газодизеля. Получены зависимости параметров характеристик тепловыделения от степени замещения газом дизельного топлива и режима работы двигателя. Исследованы направления по определению рационального закона регулирования судового газодизеля.
На защиту выносятся:
Физическая и математическая модель протекания рабочего процесса газодизеля.
Результаты экспериментального исследования специфики рабочих процессов в газодизеле.
Полученные экспериментально физически обоснованные зависимости параметров тепловыделения в газодизеле от исходных условий в цилиндре.
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Математическое моделирование рабочих процессов газодизельных двигателей внутреннего сгорания
На текущий момент существует ограниченное число моделей газодизельного рабочего процесса. Одним из основополагающих факторов, определяющих малую степень развития данной области математического моделирования, является сложность описания процессов, происходящих в камере сгорания двигателя. Аналитическое описание данных процессов на текущий момент не применяется, что связано с большим числом показателей, взаимосвязанных между собой, определяющих протекание процессов в камерах сгорания.
Для создания математических моделей активно применяются различные эмпирические зависимости, позволяющие с большей или меньшей степенью достоверности описывать процессы сгорания и тепловыделения в камере сгорания ДВС. Данные эмпирические зависимости строятся на основе индикаторных диаграмм, а также на основе интегральных характеристик двигателя, таких как мощность, КПД, коэффициент избытка воздуха и т.д.
Достоверность подобного рода моделей подтверждается или опровергается проведением ряда экспериментов, в результате которых модели корректируются, а в случае больших расхождений с данными экспериментов возможен полный отказ от данной модели.
Математическая модель рабочего процесса газодизельного двигателя. В [58] проводится анализ особенностей процесса сгорания двухкомпонентного топлива, рассматривается методика синтеза рабочего цикла дизеля, адаптированная путем учета особенностей комбинированного смесеобразования и сгорания двухкомпонентного топлива для газодизеля. При построении математической модели были приняты следующие положения: І.Учет физико-химических свойств двухкомпонентного топлива производится путем перехода к условному "приведенному" топливу, характеризующемуся "приведенными" элементарным химическим составом, теплотой сгорания и теоретически необходимым количеством воздуха для его сгорания. 2.Учет изменения состава рабочего тела при определении давлений, удельного объема и молекулярной массы производится для единицы массы заряда с учетом топлива, участвующего во внутреннем смесеобразовании. 3.Процесс сгорания топлива рассматривается как процесс подвода теплоты с учетом изменения состава образующихся и участвующих в нем газов. 4.Унимодальная функция И.И. Вибе в целях обеспечения достаточной точности используется в модифицированном виде, учитывающем наличие двух экстремумов на дифференциальной характеристике выгорания топлива. 5.Для сравнительного анализа процесса выгорания топлива выполняется критериальная оценка его качества. cpz - продолжительность процесса сгорания, град ПКВ; mn, т0 - показатели характера сгорания в начальном и основном периодах процесса сгорания. Приведенная выше методика расчета содержит ряд спорных моментов, на которые необходимо обратить внимание. Во-первых, применение для динамики тепловыделения характеристики И.И. Вибе не совсем оправдано, это связано с тем, что данная характеристика изначально предназначалась для расчета тепловыделения в ДВС с принудительным воспламенением. Таким образом, данная характеристика не может учитывать явлений, происходящих при самовоспламенении горючей смеси. Во-вторых, известный вид динамики тепловыделения дизельного двигателя, так называемая двугорбовая динамика тепловыделения, в данной модели не отрицается. Создание схожей с двугорбовой характеристики производится путем перехода при определенном угле сгорания на другой ряд исходных данных, что приводит к резкому изменению характеристик при переходе через это значение и не соответствует процессам, происходящим в действительности. В-третьих, при расчете рабочего процесса должен быть учтен тот факт, что состав смеси находящейся в камере сгорания двигателя не является постоянным в процессе сгорания, то есть концентрации и теплоемкости продуктов сгорания меняются с изменением угла поворота коленчатого вала двигателя. Как производится учет меняющихся характеристик продуктов сгорания в данной модели не описано. Таким образом, данная формула может являться работоспособной, но должны существовать ограничения по ее применению. Так с точки зрения примененной динамики тепловыделения, может быть рекомендовано следующее ограничение, запальная доза топлива должна составлять от 3 до 5%, при этом процесс воспламенения приближается к процессу воспламенения от точечного источника, именно такой процесс описывает формула И.И. Вибе. При этом роль точечного источника могут исполнять мелкодисперсные топливные факелы, с минимальной дальнобойностью факела, таким образом, объем, который занимает впрыснутое топливо, невелик, и источник может считаться точечным. В результате проведенного исследования проблемы газодизельного рабочего процесса на текущий момент, можно сделать следующие выводы: 1) Газодизельный двигатель обладает рядом преимуществ по сравнению с дизелем, в том числе меньшим уровнем шума, большим моторесурсом, лучшими экологическими показателями, и, наконец, меньшим расходом жидкого топлива. По сравнению с прочими газовыми двигателями, он обладает большим эффективным КПД, что определяется большей степенью сжатия, допустимой при газодизельном процессе. Кроме того, в пользу газодизеля говорит простота конвертации исходного дизельного двигателя для работы по газодизельному процессу. 2) Многообразие схем и конструкций управления подачей топлива в газодизелях свидетельствует о сложной взаимосвязи между факторами, определяющими эффективность процесса, и отсутствии единого подхода к решению проблемы. Очевидно, задачу оптимизации систем управления приходиться решать индивидуально в зависимости от особенностей двигателя и требований к установке.
Информационно-измерительный комплекс. Измерительная аппаратура
Конструктивно он выполнен в виде цилиндрической трубки 2, внутри которой размещены обмотки 4 на каркасе из текстолита. Один из концов трубки выполнен большим диаметром, что позволяет закрепить на нем стандартный разъем 1 типа ШР. В другой конец трубки запрессован текстолитовый каркас 3 с уложенными на него обмотками датчика. Обмотки датчика имеют общую точку, запаянную на вывод 2 разъема, другие концы обмоток запаяны на выводы 1 и 4. Резьбовой частью 5 на наружной поверхности датчик вворачивается в корпус топливоподающей форсунки. Такое соединение обеспечивает регулировку положения обмотки относительно сердечника. Сердечником индуктивного датчика служит трубка из мягкой стали, напрессованная на латунный упор пружины, который, в свою очередь, напрессован на шток форсунки.
Для определения углового положения коленчатого вала использовался датчик, на основе перфорированного диска с двумя отверстиями и оптоэлектронная пара, построенная на излучающих светодиодах инфракрасного спектра и приемниках излучения. Конструктивно в корпусе датчика смонтировано четыре оптических пары и плата предварительного усилителя. Кроме того, с внешней стороны корпуса датчика смонтированы четыре светодиода, подтверждающие исправность излучающих светодиодов датчика, и четыре светодиода, позволяющие выполнять юстировку датчика относительно отверстий и прорезей в перфорированном диске. Каждая оптопара датчика соответствует определенным углам поворота коленчатого вала: относительно первой проходят прорези, выполненные в диске через 1 ГЖВ, относительно второй проходят прорези, выполненные через 10 ПКВ, а относительно третьей и четвертой проходят отверстия, соответствующие НМТ иВМТ.
Для ввода в аналого-цифровой преобразователь сигналы, формируемые датчиками, должны быть усилены и приведены к стандартизованному виду. Для этих целей используется усилительная и преобразующая аппаратура. Поддержание входных сигналов в заданных пределах называется нормированием сигнала, а устройство, выполняющее эту роль, называется нормирующим преобразователем. В данном случае использовался нормирующий преобразователь конструкции ЦНИТА.
Конструктивно нормирующий преобразователь представляет собой плату заключенную в металлический корпус, на внешней стороне которого расположены разъемы для подключения датчиков, управляющие и сигнальные элементы.
На задней панели преобразователя размещены тумблер включения сети, предохранитель и клемма заземления, а также сетевой шнур и кабель, посредством которого блок приема сигналов датчиков подсоединяется к АЦП.
В корпусе нормирующего преобразователя размещены блок питания датчика синхронизации, блок формирования синхроимпульса и фильтр несущей частоты тензостанции, подсоединенный к разъему датчика подъема иглы. Блок формирования синхроимпульса включает в себя собственно устройство, формирующее синхронизирующий импульс по сигналу датчика синхронизации, и устройство формирования частоты следования синхронизирующих импульсов для обеспечения режимов синхронизации «от вала двигателя» и «от вала насоса». Датчик ДДГ-200/600 поставляется в комплекте с усилителем, представляющим собой неразборную конструкцию и обеспечивающим нормированный выходной сигнал.
Датчик подъема иглы, включенный по мостовой схеме, работает в паре с тензостанцией УТ 4-1. При этом выходной сигнал тензостанции может отличаться от принятых для ввода в АЦП. Для фильтрации и ограничения пиковых значений сигнала применен вышеупомянутый нормирующий преобразователь конструкции ЦНИТА, включающий в свою схему фильтр несущей частоты.
Датчик синхронизации представляет собой датчик генераторного типа, встречающийся в устройствах промышленной автоматики. Метка датчика представляет собой стальной флажок, установленный на маховике коленчатого вала. Конструктивно датчик содержит в едином корпусе чувствительный элемент и предварительный усилитель. Для работы датчика необходимо обеспечить его питание постоянным током напряжением 24 В. С этой целью нормирующий преобразователь снабжен блоком питания, обеспечивающим понижение и выпрямление тока до требуемых параметров (к этому источнику питания также подключается датчик давления ДДГ-200/600). Полученный от датчика синхронизации сигнал преобразуется с целью получения прямоугольного импульса для подачи команды в АЦП на опрос датчиков. Управляющей программой этот сигнал воспринимается как угол, соответствующий нулю.
Для регистрации и отображения информации, полученной от датчиков, использовался персональный компьютер, оснащенный аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Из соображений адекватного отображения полученных данных был выбран АЦП PCI - МЮ - 16Е - 4 фирмы «National Instruments». Плата аналого-цифрового преобразователя PCI-MIO-16E-4 обладает следующими параметрами: 12 бит, 250 кГц, шестнадцать дифференциальных каналов, два 24 разрядных счетчика-таймера, два 12 разрядных канала вывода, восемь цифровых каналов ввода-вывода, программное усиление 0,5 - 100.
Вся логика работы системы обеспечивается УП. Аналоговые сигналы от датчиков в виде напряжений и устройства сбора данных карты РСІ-МЮ-16Е-4 принимаются драйвером NI-DAQ и передаются УП. Программа производит пересчет показаний датчиков в единицы измеряемых величин, отображение сигналов на дисплее, запись сигналов в файлы на магнитные накопители и при необходимости воспроизведение ранее записанных сигналов, распечатку графиков. УП автоматически определяет значение уровня сигнала идущего по первому каналу, которое запускает режим синхронизации сигналов с частотой вращения вала. Программа также управляет работой аппаратуры, пользуясь сервисом драйвера NI-DAQ. Сама УП является приложением, написанным для работы в среде WINDOWS, и может нормально функционировать только при наличии системы WINDOWS и драйвера NI-DAQ.
Органы управления работой информационно-измерительного комплекса и индикации его состояния расположены на главной панели, появляющейся на экране дисплея при запуске УП. Оператор взаимодействует с органами управления с помощью манипулятора «мышь». Ввод необходимых данных осуществляется с клавиатуры.
Влияние угла опережения впрыска на период задержки самовоспламенения
Попытаемся объяснить причину увеличения задержки в газодизеле, исходя из формулы (3.1). Предположим, что в случае газодизеля температура и давление конца сжатия ниже, чем в дизеле.
Поскольку сравнение производится при равных значениях угла начала подачи, различие температур и давлений в обоих случаях может объясняться только теплообменом рабочего тела со стенками цилиндра. К сожалению, в данном эксперименте не было предусмотрено термометрирование деталей цилиндропоршневой группы, поэтому судить о возможных различиях температурного состояния деталей можно лишь по косвенным данным. Можно принять как допущение, что уровень температур определяется в первую очередь количеством подведенного в цикле тепла. В данном эксперименте на всех исследованных режимах поддерживались равные значения частоты вращения и эффективной мощности двигателя. Различия в эффективном КПД между дизелем и газодизелем при равных углах опережения не были значительными, причем при меньших опережениях подачи лучший КПД имел дизель, а при больших - газодизель. В то же время разность между углами задержки при всех углах опережения - однонаправленная. Поэтому различие количества подведенной теплоты в данном случае не может служить объяснением. Другая версия - различное тепловое состояние деталей вследствие деформаций процесса сгорания. При отсутствии точных данных косвенным показателем температурного состояния могут служить значения максимального давления цикла и температуры отработавших газов для дизеля и газодизеля (рис. 3.11). Как видно из рис. 3.11, температуры отработавших газов для дизеля и газодизеля близки друг к другу, хотя для дизеля снижение температуры с увеличением опережения менее выражено.
Вторым показателем, позволяющим оценить температурный уровень на границах камеры сгорания, является максимальное давление цикла. По данным эксперимента, угол поворота коленчатого вала, на который приходится максимальное давление, лежит в диапазоне от 1 до 10 градусов ПКВ после ВМТ. Этому соответствует изменение объема камеры сгорания приблизительно на 10%, так что в первом приближении можно считать, что равным максимальным давлениям соответствуют и близкие значения температуры.
Представленные на рис. 3.15 результаты обработки индикаторных диаграмм показывают, что зависимости максимального давления от угла опережения впрыска не только идентичны по характеру для дизеля и газодизеля, но близко согласуются по абсолютным величинам. Таким образом, можно с достаточным основанием считать, что при равных углах опережения температурные состояния дизеля и газодизеля достаточно близки, что позволяет исключить этот фактор при сравнении значений задержки самовоспламенения.
Остаются, как минимум, три фактора, которые могут привести к такому эффекту. Во-первых, в газодизеле, в отличие от дизеля, частицы топлива окружены не воздухом, а газовоздушной смесью. Локальный недостаток кислорода может привести к замедлению предпламенных реакций, то есть, в конечном счете, к увеличению времени задержки. Во-вторых, при работе дизеля и газодизеля на режимах, одинаковых по мощности и частоте вращения, количества впрыскиваемого жидкого топлива различаются в несколько раз. Соответственно, весьма различными оказываются давления и продолжительность впрыска, мелкость распыливания, геометрия топливной струи и т.д. Наконец, необходимо иметь в виду возможность непосредственного участия частиц газа в предпламенных реакциях, влияющего на энергию активации.
Что касается первого предположения, то можно сослаться на данные [65], согласно которым изменение коэффициента избытка воздуха в диапазоне от 1,4 до 2,4 практически не влияло на задержку самовоспламенения. В нашем случае, как показывает рис. 3.4, суммарный коэффициент избытка воздуха варьировался в диапазоне от 1,3 до 1,7. При этом значения суммарного коэффициента избытка воздуха у дизеля выше. Разность в значениях суммарных коэффициентов избытка воздуха газодизеля и дизеля незначительно уменьшается с увеличением угла опережения впрыска. Следует отметить также, что газ в общем объеме рабочего тела занимает не больше 10%. На такую величину и может измениться локальный коэффициент избытка воздуха, что, согласно приведенным выше соображениям, явно недостаточно для наблюдаемых отклонений времени задержки.
В данном случае прослеживается зависимость между запальной порцией топлива и задержкой воспламенения, однако средняя задержка воспламенения при том же установочном угле опережения впрыска -38 ПКВ, соответствующая дизельному режиму (16,7 ПКВ), все равно оказывается меньше значений для газодизеля. Объяснение наблюдаемому эффекту дает рис. 3.15, который показывает, что возрастание задержки в первую очередь связано с отдалением момента впрыска топлива от ВМТ по мере роста запальной дозы топлива.
Рассмотренные выше косвенные показатели, определяющие среднецикловую температуру двигателя, температура отработавших газов и максимальное давление сгорания, не изменяются достаточно сильно, чтобы повлиять на задержку самовоспламенения.
Таким образом, методом исключения мы вынуждены обратиться к последней гипотезе - об активном химическом влиянии газа, эжектируемого в топливную струю вместе с воздухом, на предпламенные процессы.
Вообще говоря, сам факт взаимного влияния компонентов топливной смеси на задержку самовоспламенения не вызывает сомнений. Сам способ оценки самовоспламеняемости дизельных топлив на основе цетанового числа говорит о том, что задержка самовоспламенения увеличивается при добавлении в хорошо воспламеняемое вещество плохо воспламеняемой добавки. Аналогичный результат дают данные о моторных свойствах смесей синтетического парафина С5Н10 с дизельным топливом: цетановое число увеличивается с увеличением добавки парафина практически пропорционально [21, 1]. Эти опыты показательны еще и в том плане, что позволяют отбросить еще одно возможное соображение о том, что замедление предпламенных процессов добавками связано с затратой теплоты на их испарение. В данном случае теплота испарения парафинов выше, чем у дизельного топлива, а цетановое число смесей - выше. Можно сослаться еще и на опыты, в которых испаренный этанол добавлялся во впускной коллектор дизеля: задержка самовоспламенения при этом увеличивалась, хотя дополнительная затрата теплоты на испарение была исключена. По-видимому, приведенные факты достаточно убедительно свидетельствуют о том, что не склонное к самовоспламенению газовое топливо, имеющее октановое число свыше 100, тормозит предпламенные процессы дизельного топлива.
Алгоритм и программа расчета рабочего процесса газодизельного двигателя
Созданная математическая модель позволяет проводить оценку влияния отдельных факторов на параметры рабочего процесса. Так, в существующем виде можно проводить анализ влияния дросселирования газовоздушной смеси, частоты вращения, доли запального топлива на параметры тепловыделения и, как следствие, всего процесса в целом. Дополнив существующую модель блоком вычисления задержки воспламенения с учетом особенностей газожидкостного процесса, можно проводить анализ влияния угла опережения впрыска.
Для определения рационального закона регулирования судового двигателя были проведены расчетные исследования режимов винтовой характеристики, при изменении угла опережения впрыска и степени дросселирования газовоздушной смеси.
Из сравнения кривых представленных на рис. 4.14 можно сделать вывод о незначительности влияния угла опережения впрыска на эффективный КПД для различных частот вращения. При увеличении действительного угла опережения впрыска в пределах от 17 до 35 градусов ГЖВ эффективный КПД возрастает менее чем на 8%.
Вышеприведенные данные позволяют сделать вывод о нецелесообразности изменения угла опережения впрыска при работе двигателя по винтовой характеристике. В качестве искомого оптимального угла опережения впрыска из соображения допустимых нагрузок, определяемых давлением газов в цилиндре, допустимо принять 32 градуса ПКВ до ВМТ.
Все дальнейшие расчетные исследования проводились при постоянных значениях угла опережения впрыска 32 градуса ПКВ до ВМТ и запальной порции дизельного топлива соответствующей 15% теплоты, подведенной с дизельным топливом на номинальном режиме. Такое значение запальной порции было выбрано на основании экспериментальных данных представленных в Главе 3, так получена устойчивая тенденция к росту эффективного КПД при снижении запальной порции, однако в случае использования штатной топливной аппаратуры дизельного двигателя при значительном снижении запальной порции могут наблюдаться нарушения в работе двигателя (пропуски вспышек, обратные вспышки во впускной коллектор). В нашем случае использовалась модифицированная топливная аппаратура с нагнетательным клапаном имеющим корректирующее отверстие. Это позволило добиться безперебойной работы двигателя ЗД6 в газодизельном режиме с запальной порцией топлива соответствующей 15% от теплоты, подведенной с дизельным топливом на номинальном режиме.
На рис. 4.15 представлено сравнение эффективного КПД двигателя для дизельного и газодизельного режимов при качественном и смешанном регулировании, а также нанесены экспериментальные точки, соответствующие работе двигателя по винтовой характеристике. Использование смешанного регулирования позволяет повысить эффективный КПД по сравнению с качественным регулированием, что согласуется как с экспериментальными данными, так и с данными других авторов. Применение дросселирования газовоздушной смеси на малых оборотах позволяет снизить коэффициент избытка воздуха с 3 до 2, что приводит к ускорению процесса выгорания газовоздушной смеси и соответствующему росту эффективного КПД описанному выше.
Получение рационального закона регулирования подразумевает обеспечение благоприятного сочетания ряда требований предъявляемых к современным ДВС. Наряду с обеспечением оптимальных экономических показателей (определяющихся максимизацией эффективного КПД), необходимо обеспечить удовлетворительные экологические показатели. Зачастую задача по оптимизации ряда показателей (экономических, экологических, динамических) представляет собой неразрешимую задачу, тогда выбирается некое компромиссное решение обеспечивающее удовлетворительное сочетание всех факторов. Для оценки экологических показателей было проведено экспериментальное исследование, в ходе которого оценивалась токсичность отработавших газов дизельного и газожидкостного циклов на режимах, полученных в результате расчетного исследования. Экспериментальные исследования показали значительное снижение дымности отработавших газов при работе в газодизельном режиме работы при всех рассмотренных законах регулирования. Рост выбросов СО и СН на некоторых режимах работы по газожидкостному циклу вызван в первую очередь меньшими по сравнению с дизельным режимом коэффициентами избытка воздуха, однако по абсолютному значению выбросы СО и СН существенно ниже таковых для двигателей с принудительным воспламенением. На режиме номинальной мощности, который является определяющим для судовых двигателей, у газодизеля выбросы СО приблизительно на 20% ниже, а выбросы СН увеличиваются незначительно по сравнению с дизельным прототипом. При оценке выбросов окислов азота на режимах оптимизированных с точки зрения эффективного КПД был зафиксирован рост при работе по газожидкостному циклу по сравнению с дизельным циклом.
В качестве мер по снижению выбросов окислов азота была выбрана коррекция угла опережения впрыска в ущерб эффективному КПД (топливной экономичности). При уменьшении угла опережения впрыска до 23 градусов ПКВ до ВМТ было достигнуто снижение выбросов NOx в газодизельном режиме работы по сравнению с дизельным при получении удовлетворительных показателей по прочим токсичным компонентам в отработавших газах. Таким образом, выбран рациональный закон регулирования газодизельного двигателя ЗД6, предполагающий учет экологических и экономических показателей, при следующих сочетаниях регулировочных параметров: угол опережения впрыска - 23 градуса ПКВ до ВМТ, запальная порция топлива соответствующая 15% теплоты подводимой с дизельным топливом на номинальном режиме работы в дизельном цикле, а также определен закон изменения коэффициента избытка воздуха от частоты вращения (рекомендовано смешанное регулирование) при работе двигателя по винтовой характеристике.
Похожие диссертации на Совершенствование рабочего процесса газодизеля
