CC BY
16
УДК 621.436
РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА «ЖЕСТКОСТИ» РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ ПРИ ОБОГАЩЕНИИ ВОЗДУШНОГО ЗАРЯДА АКТИВАТОРАМИ МИНЕРАЛЬНОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
А. П. Уханов, доктор техн. наук, профессор; В. А. Рачкин, канд. техн. наук, доцент; Д. А. Уханов, канд. техн. наук, доцент, М. В. Рыблов, инженер
ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. (8412) 62-85-17, e-mail: ukhanov. penza@mail. ru
Выполнена расчетно-теоретическая оценка показателей «жесткости» работы тракторного дизеля при обогащении воздушного заряда различными активаторами. Достоверность результатов расчетов подтверждена экспериментально путем снятия и обработки индикаторных диаграмм дизеля.
Ключевые слова: трактор, дизель, обогащение, воздушный заряд, активатор, жесткость
Эффективным способом интенсификации процессов смесеобразования и сгорания в дизелях, устанавливаемых на эксплуатирующуюся в сельском хозяйстве автотракторную технику, является способ обогащения воздушного заряда углеводородным активатором (бензином, керосином, спиртом, биотопливом, смесевым минерально-растительным топливом и др.).
Однако при выборе вида активатора и его дозы для обогащения воздушного заряда следует учитывать, что чрезмерное увеличение количества подаваемого активатора не только не способствует улучшению технико-экономических и экологических показателей дизеля, но и повышает «жесткость» его работы.
Основными показателями, характеризующими «жесткость», являются средняя ЛР/Лф и максимальная (йР/йф) тах скорости нарастания давления газов в цилиндрах дизеля. Например, для дизеля Д-240 (4Ч11/12,5) данные величины не должны превышать нормативных значений - соответственно 0,4...0,6 и 1,5...2,0 МПа/град. п. к. в. Увеличение этих скоростей повышает мощность и экономичность дизеля, однако при этом возрастает максимальное давление цикла, увеличивается механическая нагруженность деталей цилиндропоршне-вой группы, а работа дизеля сопровождается появлением «стуков» и, как следствие, повышенным износом.
В основу расчетно-теоретической оценки «жесткости» работы дизеля положена методика МАДИ (МГТУ) [1, 2, 3, 4]. В данной методике рассчитываются показатели, характеризующие первые две фазы процесса сгорания (период задержки воспламенения (ПЗВ) и период быстрого горения) при работе дизеля на топливах различного
состава. Дозы моторного топлива и активатора, испарившиеся за ПЗВ, определяют характер протекания процесса сгорания во втором периоде. Периоду быстрого горения соответствуют наибольшие значения скорости топливоподачи, скорости тепловыделения и, как следствие, скорости нарастания давления газов. Обогащение воздушного заряда активатором способствует увеличению скорости сгорания и тепловыделения, что уменьшает продолжительность второго периода и увеличивает «жесткость» работы дизеля.
Максимальная и средняя скорости нарастания давления газов определяются по формулам [1]:
(йр\ 6-п-10-3 Р7-Рс (. - юоУ/3 ^т- = -р ' К - 'ЦЧ) ■
МПа/град. п. к. в.; (1)
ДР Р7 - Рс
-= —--, МПа/град. п. к. в., (2)
Д^ ¡р2
где п - частота вращения коленчатого вала, мин-1; КТ - фактор, характеризующий свойства топлива и активатора (характеристический фактор); р - аддитивная плотность топлива и активатора, г/см3; Р7-максимальное давление цикла, МПа; Рс -давление конца сжатия, МПа; фг - период задержки воспламенения, град. п. к. в; I -относительная степень испарения топлива
и активатора за ПЗВ; — = фх/фвпр - отношение продолжительности ПЗВ к продолжительности впрыскивания; ЦЧ - аддитивное цетановое число топлива и активатора; ф2 - период быстрого горения, град. п. к. в.
В свою очередь, характеристический фактор
—
1,216 •
р
(3)
где Т50 - температура 50 % отгона топлива (активатора).
В работах [2, 3] отмечается, что для суммарной дозы топлива и активатора плотность, характеристический фактор и цетановое число могут быть определены по принципу аддитивности, т. е.
р = р1- VI + р2- у2; (4)
КТ = КТ1 ■ VI + КТ2 ■ v2; (5)
ЦЧ = ЦЧ1 ■ VI + ЦЧ2 ■ v2 ± ЛЦЧ, (6)
где р1, р2 -плотность моторного топлива и активатора, г/см3; v1, v2 - объемные доли моторного топлива и активатора в суммарном расходе топлива; КТ1, КТ2 - характеристический фактор топлива и активатора; ЦЧ1, ЦЧ2 - цетановое число топлива и активатора; ЛЦЧ - поправка, учитывающая неравенство скоростей физических и химических реакций.
При использовании высокоцетановых активаторов (минеральное ДТ, керосин, биотопливо) поправкой ЛЦЧ можно пренебречь. При использовании низкоцетано-вых активаторов (спирты, бензины), данную поправку необходимо учитывать (для бензинов со знаком «+», для спиртов со знаком «-») [2]:
ЛЦЧ = [1п (100 v2) - 1] ■ 1п ЦЧ1. (7)
Относительная степень испарения I определяется как отношение
m.,
i —
^Д + ЩупА
g и
^цД +
(8)
цА
где т^ - общая масса топлива (т„Д) и активатора (т„А), испарившихся за ПЗВ, кг; gи -суммарная цикловая подача топлива и активатора guА), кг.
При работе дизеля без обогащения воздушного заряда степень испарения
т
i — i д —
g,
(9)
иД
Степень испарения 1Д с достаточной точностью может быть принята равной 1Д = 0,55, т. е. т„Д = 0,55gцД. Чтобы определить массу тш , примем допущение, что к моменту воспламенения рабочей смеси весь активатор, поданный во впускной трубопровод на такте впуска, испаряется полностью, т. е. т^д = 9ца.
Так как при обогащении воздушного заряда цикловая подача топлива занижается на величину, соответствующую количеству подаваемого активатора, то выра-
жение (8) можно представить через массовые доли топлива (К1) и активатора (К2) в суммарном расходе топлива. Т. к. при любом соотношении К1 + К2 = 1, то
1 —
'Д
^и • К1 + gи • К2
— 1Д • К1
К
(10)
gц • К1 + gц • К2
Однако при обогащении воздушного заряда необходимо учитывать не только процентное соотношение топлива и активатора, но и изменение ПЗВ: чем меньше данный период, тем меньше времени отводится на испарение моторного топлива. Для учета данного изменения введем коэффициент полноты испарения кт1:
к — Т — Ф
Т -
Ф (11)
То Фо
где т1, ф1 - ПЗВ при обогащении воздушного заряда, с или град. п. к. в.; т10, ф10 - ПЗВ без обогащения, с или град. п. к. в.
С учетом данного коэффициента степень испарения
1 = к1 ■ 1д ■ К1 + К2. (12)
Для определения длительности 1-го периода с обогащением воздушного заряда и без него воспользуемся моделью относительного ПЗВ [3, 4, 5, 6]:
Т — V 6п104 •
1п
(.Фо* ~ Т
и нв К
Ар
(- О Ф\0
I1"
Кт
1 -1
(13)
где внв - безразмерная температура в момент начала впрыскивания; А - коэффициент, зависящий от свойств топлива и активатора; а, а1 - коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров дизеля и параметров топливоподачи; щ - параметр, учитывающий соотношение скоростей химических и физических реакций; фепр - продолжительность впрыска моторного топлива (определялась экспериментально), град. п. к. в.; (руое )- установочный угол опережения впрыска топлива, град. п. к. в. (рад).
Безразмерная температура, коэффициенты А, а и а1 определяются по формулам:
©« —-р-г—тт; (14)
(4,38+2,29 • ^ )) ^ + 25 • ^— -—J
А — - КТ ' Т50
ЦЧ ^273 '
К
а — ■
©н
■(а1 -1);
(15)
(16)
(-К- 1)<Рпр'Су-д£0д-Тж ф - /' - а -К - К
г уов Д 1терм.нв нв 1
(17)
где Тнв - температура в цилиндре в момент впрыскивания, К; КТ и ЦЧпринимаются для суммарной дозы активатора и топлива по уравнениям аддитивности; Т50 - для моторного топлива; КФ - безразмерная характеристика стока теплоты; Кнв - объем ци-
3
линдра в момент начала впрыскивания, м ; Кс - объем камеры сгорания, м3; пг - показатель политропы сжатия; Су - теплоемкость воздуха, кДж/(кгК); а - коэффициент избытка воздуха; 10Д - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг моторного топлива, кг; дтерм. нв - количество теплоты, необходимое для испарения и перегрева 1 кг моторного топлива при впрыскивании в среду с температурой Тнв, кДж/кг.
Безразмерная характеристика КФ, количество теплоты дтерм. нв и объем цилиндра Кнв определяются по формулам:
кф =
^Д атерм. нв Су ' ад '10д -Тнв
-ТК;
атерм. нв Ст СТ50 Тт) + ^ут
+ 0,5—т (ТНв - Т50), кДж/кг;
у = К,
нв 2
^ - СОфов + у (1 - С052фу„в)
К
(18)
(19)
м3, (20)
где ст - теплоемкость моторного топлива, кДж/(кгК); Тт - начальная температура моторного топлива, К; Ьут - теплота парообразования моторного топлива, кДж/кг; Хг -отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.
Параметр, учитывающий соотношение скоростей химических и физических реакций
¥
= у[а -(
( К2 I 1 + — I К
0 А 1 л'0 Д
Л 2
(21)
где 10А - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг активатора, кг.
Период задержки воспламенения
ф = — - фвпр , град. п. к. в. или тг = фг /(6 ■ п). (22)
Продолжительность второго периода (фазы быстрого горения) по углу п. к. в.
( ЦЧ Л ( Фвпр Л Ф2 = К- Р, град. п. к. в. (23)
Максимальное давление цикла без обогащения воздушного заряда
4 т . - Н (п -1) 5,39 -10 - и Д ^ } , МПа, (24)
Р7 = Рс
где Ни - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;.
При определении давления Р7 необходимо учесть не только изменение ПЗВ, но и уменьшение продолжительности второго периода. Чем меньше период быстрого горения ф2, тем меньше угол ф7, т. е. момент достижения максимального давления цикла наступает раньше, а времени на сгорание топлива и активатора в данном периоде отводится меньше. Следовательно, будет меньше и количество теплоты, выделившейся во втором периоде. Для учета данного изменения введем коэффициент полноты сгорания кт2:
к = — = Ф
к-2 -
у
с
ф ■ (25)
^20 г 20
где т2, ф2 - период быстрого горения при обогащении воздушного заряда в секундах или град. п. к. в.; т20, ф20 - период быстрого горения при работе дизеля без обогащения в секундах или град. п. к. в.
С учетом коэффициентов кт1 и кт2, а также низшей теплоты сгорания активатора максимальное давление цикла при обогащении воздушного заряда определится по формуле
Р7 = Рс+5,39 -10-4 х
к- -((-¡д-КНд + К -Н) -1), МПа. (26)
х-1---
Ус
Расчет показателей «жесткости» работы дизеля проводился для обогащения воздушного заряда следующими активаторами: минеральным дизельным топливом (ДТ), биотопливом метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ), смесевым минерально-растительным топливом (50 %МЭРМ + 50 %ДТ), авиационным керосином ТС-1 и метанолом. Доза каждого активатора составляла 10, 20 и 30 % от суммарного расхода топлива.
Результаты расчетов (таблица) по вышеприведенным формулам показывают, что наибольшие значения давления Р7 достигаются при обогащении воздушного заряда минеральным ДТ и керосином ТС-1 и несколько меньшие - при обогащении смесе-вым топливом и биотопливом. Снижение Р7 при обогащении метанолом обусловлено меньшей теплотой сгорания данного активатора. Значительное снижение Р7 при увеличении дозы исследуемых активаторов с 20 до 30 % объясняется тем, что с уменьшением периодов ф1 и ф2 времени на испарение и сгорание топлива и активатора отводится меньше (возрастает влияние коэффициентов кт1 и кт2). При обогащении
+
Расчетные показатели «жесткости» работы дизеля
Показатель Активатор, %
Минеральное ДТ Смесевое топливо Биотопливо МЭРМ Керосин ТС-1 Метанол
10 20 30 10 20 30 10 20 30 10 20 30 10 20 30
Рг, МПа 7,52 7,54 7,42 7,49 7,49 7,35 7,46 7,44 7,29 7,55 7,61 7,38 7,25 7,04 6,88
(ЬР/Ьф) тах, МПа/град. п. к. в. 1,57 1,71 1,95 1,55 1,67 1,89 1,53 1,64 1,84 1,58 1,73 2,01 1,74 2,10 2,67
ДР/Дф, МПа/град. п. к. в. 0,30 0,34 0,41 0,29 0,33 0,40 0,29 0,32 0,38 0,30 0,34 0,47 0,36 0,48 0,71
Примечание. В выделенных ячейках - значения показателей «жесткости», превышающие нормативные значения для дизеля 4411/12,5.
воздушного заряда керосином ТС-1 максимальная скорость нарастания давления превышает нормативное значение при дозе 30 %. При обогащении метанолом повышенная «жесткость» уже наблюдается при дозе 20 %, а при дозе 30 % за пределы нормативных значений выходит не только максимальная, но и средняя скорость нарастания давления. При использовании в качестве активаторов минерального ДТ, биотоплива и смесевого топлива показатели «жесткости» не превышают нормативных значений.
С целью экспериментальной оценки «жесткости» работы дизеля была скомплектована экспериментальная моторная установка, включающая серийный дизель Д-240 (4411/12,5), все механизмы и системы которого отрегулированы в соответствии с инструкцией по эксплуатации, динамометрическую машину КБ-56/4, контрольно-измерительный комплекс, состоящий из датчиков (частоты вращения коленчатого вала и отметок зубьев маховика, ВМТ, давления газов УДПС-001, давления топлива конструкции ЦНИТА), прибора ИМД-ЦМ, аналогово-цифрового преобразователя 1А-2ивВ, тензостанции 8АНЧ-7М, персонального компьютера, расходомеров топлива и активатора.
Для одноточечного обогащения воздушного заряда использовалась впрысковая система, содержащая емкость для активатора, фильтр, электрический насос, электромагнитную форсунку, установленную во впускном трубопроводе дизеля, и электронный блок управления [7].
Экспериментальные исследования на различных нагрузочных и скоростных режимах проводились путем сравнения показателей работы дизеля в штатной комплектации (без обогащения) и оснащенного впрысковой системой (с обогащением воздушного заряда активаторами в количестве 10, 20 и 30 % от нормативной подачи топлива), при этом цикловая подача топливно-
го насоса высокого давления предварительно занижалась на величину, соответствующую количеству подаваемого активатора.
На всех режимах снимались и обрабатывались диаграммы рабочего процесса четвертого цилиндра дизеля. Запись осциллограмм давления цилиндровых газов по углу поворота к. в., сигналов с отметчиков зубьев маховика и ВМТ осуществлялась на жесткий диск компьютера в трехкратной повторности на каждом режиме. Визуальный контроль перечисленных сигналов производился по их форме на мониторе компьютера.
Результаты обработки индикаторных диаграмм показывают, что при обогащении воздушного заряда, например, керосином ТС-1 в количестве 10 % давление Рг возрастает с 7,5 до 7,8 МПа; в количестве 20 % - до 8,0 МПа; в количестве 30 % -снижается до 7,5 МПа. При обогащении метанолом в количестве 10 % и 20 % давление снижается соответственно до 7,4 и 7,2 МПа [8].
При работе дизеля без обогащения воздушного заряда на номинальном режиме максимальная скорость нарастания давления газов составляет 1,6 МПа/град. п. к. в. При обогащении воздушного заряда керосином ТС-1 в количестве 10, 20 и 30 % максимальная скорость возрастает до 1,7; 1,8 и 2,1 МПа/град. п. к. в. соответственно. При дозе метанола 10 % максимальная скорость составила 1,9 МПа/град. п. к. в.; при дозе 20 % - 2,3 МПа/град. п. к. в. Кроме того при подаче 20 % метанола работа дизеля сопровождалась появлением «стуков», поэтому исследования с подачей метанола в количестве 30 % от нормативной подачи топлива не проводились.
На рисунке показано сравнение показателей рабочего цикла и ^Р^ф) тах, полученных расчетным и экспериментальным путем. Расхождение полученных значений не превышает 9 %.
2,4
■ Расчет □ Эксперимент
■ Расчет □ Эксперимент
о. го
2 т I
1 Й; ^ 5
о ае о
го ■ Ч т о
« а 2 5 и х «
О ^ П
чр Н ^
« о 5 гм
*Г
о| о
Изменение максимального давления цикла и максимальной скорости нарастания давления на номинальном режиме в зависимости от вида и дозы активатора
В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что при обогащении воздушного заряда дизеля со свободным впуском и камерой сгорания ЦНИДИ в зависимости от вида активатора его доза не должна превышать 10.20 % от нормативной подачи моторного топлива.
Литература
1. Гуреев, А. А. Испаряемость топлив для поршневых двигателей / А. А. Гуреев, Г. М. Камфер. - М.: Химия, 1982. - 264 с.
2. Камфер, Г. М. Расчетная оценка це-тановых чисел спирто-топливных смесей / Г. М. Камфер, А. К. Болотов, С. А. Плотников // Улучшение показателей работы автомобильных и тракторных двигателей: сб. науч. тр. МАДИ. - М., 1990. - С. 59-64.
3. Аднан, И. Ш. Расчет периода задержки воспламенения в дизеле в условиях двухфазного смесеобразования / И. Ш. Аднан, Г. М. Камфер, В. Н. Луканин // Совершенствование автотракторных двигателей внутреннего сгорания: сб. науч. тр. МАДИ. -М., 1985. - С. 10-19.
4. Камфер, Г. М. Некоторые особенности рабочего цикла дизеля с камерой сгорания в поршне при использовании смесей дизельного топлива с бензином / Г. М. Кам-фер, В. Н. Семенов // Совершенствование автотракторных двигателей внутреннего сгорания: тр. МАДИ. - М., 1985. - С. 20-22.
5. Гущин, С. Н. Улучшение эффективных и экологических показателей тракторного дизеля 2Ч 10,5/12,0 путем применения ме-
таноло-топливной эмульсии: дис.... канд. техн.
наук / С. Н. Гущин. - СПб., 2004. - 198 с.
6. Лиханов, В. А. Снижение токсичности и улучшение эксплуатационных показателей тракторных дизелей применением метанола / В. А. Лиханов. - Киров: Вятская ГСХА, 2001. - 212 с.
7. Уханов, А. П. Обогатитель воздушного заряда / А. П. Уханов, В. А. Рачкин, М. В. Рыблов // Сельский механизатор. -2008. - № 7. - С. 18.
8. Применение биотопливных композиций на тракторных дизелях / А. П. Уханов, Д. А. Уханов, В. А. Рачкин, М. В. Рыблов, Н. С. Киреева // Нива Поволжья. - 2007. -№ 4(5). - С. 53-57.
