Расчетный метод оценки периода задержки самовоспламенения

Рабочие процессы в ДВС
УДК 621.43.019.001
В.В. Душко, инж.
РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ПЕРИОДА ЗАДЕРЖКИ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ
ТОПЛИВА В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Предпламенные процессы в судовых дизелях
зической основе влияния энергетического состояния
занимают малый отрезок времени но, именно эти
воздушного заряда на воспламеняемость различных
процессы оказывают существенное влияние на каче-
топлив, отличающихся по концентрации цетана, ме-
ство и динамику рабочего процесса. Период задерж-
танола, Н-Бутана, -метилнафталина и др. Основной
ки воспламенения і является параметром, позво-
задачей данной модели был учет возможно большего
ляющим косвенно определять токсичность и эконо-
количества факторов (в частности свойств топлива и
мичность двигателя.
качества топливоподготовки), влияющих на і.
В настоящее время измерительная техника по-
В модели на задержку воспламенения оказыва-
зволяет получить довольно точные значения парамет-
ют влияние: закономерность подачи топлива в ци-
ров рабочего процесса дизеля, в том числе и по пе-
линдр и его параметры при впрыске, энергетическое
риоду задержки воспламенения. Разработка же мате-
состояние воздушного заряда, смесеобразование и
матической модели для расчета этого параметра яви-
химическая стабильность топлива, связанная с пре-
лась бы удобным инструментом анализа влияния раз-
вращением углеводородов, их способностью к рас-
личных факторов (таких как качество распыливания
паду, преобразованию и окислению в предлагаемый
топлива, его состав, параметры и качество топливо
период. Как следствие, і есть функция многих пере-
подготовки, а так же параметры воздушного заряда и
менных и не может быть описана одним уравнением.
пр.) на качество рабочего процесса с целью повыше-
В общем виде, исходя из диффузионной теории,
ния экономичности и экологичности работы дизеля.
Данная проблема разработана многими иссле-
продолжительность задержки воспламенения запишется уравнением [1, 6]:
дователями, такими как Ищук Ю.Г. [1, 2], Семенов
В.С. [3], Сомов В.А. [4, 5], Свиридов Ю.Б. [6] и др..
Так, например, в работе Семенова решаются задачи
обобщения опытных исследований , проведенных на
реальных судовых двигателях. Используются такие
i   ф   х ,
где ф и х – физическая и химическая составляющие задержки воспламенения.
В свою очередь, ф состоит из двух слагаемых
 ф  исп   см ,
параметры как ход поршня, диаметр цилиндра, частота вращения коленчатого вала, угол опережения
подачи топлива, температура и давление наддувоч-
(1)
(2)
где исп и см – продолжительность испарения и
процесса смесеобразования.
ного воздуха. Во всех работах проведены разносто-
По представлению Ю.Б. Свиридова [6] первые
ронние исследования данного вопроса и предложены
реакции окисления паров углеводородов должны
разнообразные формулы для расчета i. Недостатком
начинаться в богатых, не очень горячих зонах, а пер-
большинства расчетных схем является узкий круг
вый очаг воспламенения рождается в том стехиомет-
исходных параметров, влияющих на период задерж-
рическом слое, где наибольшие температуры.
ки самовоспламенения топлива.
Предлагаемый метод расчета і построен на фи-
60
Эти условия записываются системой уравнений
(3, 4).
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2004
Рабочие процессы в ДВС
 0 – коэффициент теплопередачи от воздуха к
lф
 ф  lф2
/  U ф dlф ,
(3)
0
капле топлива;
где lф – длина топливного факела;
в – коэффициент теплопроводности воздуха;
Uф – распределение скоростей частиц в топлив-
 – комплексный показатель;
ном факеле.
Мт, Мсм – молекулярные массы топлива и смеси
 х  (const / р0 )

nm
е
Ea
RTв
соответственно;
(4)
,
где nm, const – показатели топлива;
см
- критическое давление и температура
ркр
, Т см
кр
топлива в смеси;
р0 – давление окружающей среды;
х – толщина поверхностного слоя топливной
Еа – энергия активации топлива;
Тв – температура воздуха в цилиндре двигателя.
струи, в которой идет смешение топлива с воздухом;
Анализируя особенности горения распыленных
z – число парных столкновений молекул кисло-
топлив, можно сделать вывод о том, что в условиях
дизеля допустимо принимать цикл с мгновенным
сгоранием подготовленной смеси, что позволяет [1]
рекомендовать простые решения представленных
уравнений (5, 6, 7 и 8):
исп 
рода с молекулами углеводородов;
 – переходный коэффициент от логарифмов к
реальным скоростям химических реакций;
сх – показатель скорости химических реакций,
зависящий от физико-химических свойств топлива,
ст d к  т (Т кр  Т о )

3 о 2Т с  (Т о  Т кр )
см  6,367  10
7
2
в  см
пр  х
см
Т пр
(S ) см
,
(5)
,
(6)

определяемый по формуле (7);
ЦЧ – цетановое число.
Уравнения (5), (6) и (7) являются исходными
для расчета продолжительности периода задержки
воспламенения i различных топлив в современных

 х  1,29  10 2 vсх  zi
1

e
Eа
RTc
(7)
,
топлива в цилиндр.
 сх  7,43  10 6  ( ЦЧ ) 2 
 1,123  10
3
 ( ЦЧ )  20,75  10
дизелях, но без учета продолжительности подачи
(8)
2
,
Изложенная методика в совокупности с современными вычислительными средствами предостав-
где ст – теплоемкость топлива;
ляет возможность, как оперативно оценивать влия-
dк – диаметр капли топлива;
ние внешних факторов (характеристики топлива,
 т , в , см
пр
– плотность топлива, воздуха в ка-
наддувочного воздуха и пр.) на период задержки са-
мере сгорания, приведенная плотность смеси паров
мовоспламенения топлива, так и определять опти-
топлива с воздухом, соответственно;
мальные параметры работы дизеля. Уточнив данную
(S)см – концентрационная плотность смеси воздуха с топливом;
см
Т0, Ткр, Тс, Т пр
– температуры: воздуха (началь-
ная); критическая перед воспламенением топлива;
сжатого воздуха в цилиндре; приведенная температура смеси топлива и воздуха;
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2004
модель для конкретных условий, появляется возможность анализировать взаимное влияние различных методов оптимизации рабочего процесса, таких
как добавление воды в топливо (рис. 1) или повышение дисперсности топлива при его распыливании
(рис. 2).
61
Рабочие процессы в ДВС
из рисунка уменьшение диаметра капли топлива не-
2.0E-03
i, сек
избежно ведет к уменьшению i, независимо от того
1.6E-03
каким путем достигнуто это уменьшение. В данном
случае противовесом уменьшению среднего диаметра капли является нелинейный рост напряженности в
1.2E-03
деталях топливной аппаратуры.
Для подтверждения работоспособности разра-
8.0E-04
0
5
ДМХ
10
Л
15 W, % 20
ДТ
Ф5
ботанной схемы был выполнен ряд экспериментов на
дизеле 4Ч17,5/24. При работе двигателя на холостом
Рис. 1. Влияние содержания воды в топливе
на период задержки самовоспламенения:
ДМХ – дистиллятное топливо; Л – дизельное летнее
топливо; ДТ – моторное топливо; Ф5 – мазут
флотский
ходу и нагрузках в 12 и 17,5 кВт с частотой вращения 750 ±3 об/мин изменялась температура впрыскиваемого топлива. Диапазон изменения температур
стенки для трубопровода высокого давления был в
пределах 300-500 К. При настройке расчетной схемы
на данный дизель, разница в полученных результатах
составляла не более 15%. Такую разницу в результатах можно объяснить влиянием общей массы впрыснутого топлива и зависимостью характера впрыска
от температуры. На рис. 3 приведены диаграммы
рабочего процесса дизеля при температурах трубопровода высокого давления Тном=300К и Тподогр=430К.
Рис. 2. Влияние дисперсности распыленного
дизельного топлива на период задержки
самовоспламенения
Как видно из рисунка при повышении температуры
Расчеты проводились применительно к двига-
однако максимальное давление и скорость нараста-
телю 6ДКРН 42/136 – 10 (аналог 6L42МС фирмы
впрыскиваемого топлива начало впрыска более
позднее по сравнению с нормальной температурой,
ния давления меньше.
MAN B&W). Так при впрыске водотопливной эмульсии с содержанием воды до 20% период задержки
возрастает в среднем на 9-12%. Возрастание i на
этом участке носит близкий к линейному характер.
Одним из путей нейтрализации увеличения i служит
некоторое увеличение степени сжатия в дизеле. Другая характеристика топлива при впрыске – это степень дисперсности, которая непосредственно зависит
от давления нагнетания, температуры впрыскиваемого топлива, а так же особенностей распылителя форсунки. На рис. 2 представлена зависимость периода
задержки самовоспламенения от среднего диаметра
капель впрыснутого в цилиндр топлива. Как видно
62
Рис. 3 Индикаторные диаграммы дизеля 4Ч17,5/24
в зависимости от температуры подогрева
трубопровода высокого давления:
Тном – температура топлива высокого
давления 300 К; Тподогр – температура топлива
высокого давления 430 К
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2004
Рабочие процессы в ДВС
Приведенные примеры наглядно показывают,
лей. – М.: Транспорт, 1977. – 182 с. 4. Сомов В.А.,
что период задержки самовоспламенения топлива
Ищук Ю.Г. Судовые многотопливные двигатели. –
есть функция, зависящая от многих параметров. Учет
Л.: Судостроение, 1984. – 240 с. 5. Лебедев О.Н.,
и изучение возможно большего количества факто-
Сомов В.А. Водотопливные эмульсии в судовых дизе-
ров, влияющих на i, позволит определить ее вели-
лях. – Л.: Судостроение, 1988. – 108 с. 6. Свири-
чину в связке с оптимальными параметрами впрыска.
дов Ю.Б. Принципы построения обобщенной теории
Список литературы
сгорания в дизелях // Двигателестроение. – 1980. –
1. Ищук Ю.Г. Топливо и полнота его сгорания в су-
№ 11. – С. 10 – 15. 7. Капустин В.В. Проблема управ-
довых дизелях. – Л.: Судостроение, 1985. – 100 с. 2.
ления предпламенными процессами в дизелях // Мо-
Ищук Ю.Г. Интенсификация процесса сгорания то-
делирование приборов и техпроцессов: Сб. тр. Ме-
плива в судовых дизелях. – Л.: Судостроение, 1987. –
ждунар. науч.-техн. конф. – М.: МГАПИ, 2001. –
54 с. 3. Семенов В.С. Теплонапряженность и долго-
Т. 3. – C. 110 – 113.
вечность цилиндропоршневой группы судовых дизе-
УДК 621.436.068
П.Е. Куницын, канд. техн. наук, Н.А. Шевченко, инж., А.Ф. Доровской, инж.,
А.Г. Крушедольский, канд. техн. наук
ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ
ДВУХТАКТНОГО ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТИПА 6ТД С РЕГУЛИРУЕМЫМ
ДАВЛЕНИЕМ НАДДУВА
Охрана окружающей среды является одной из
В данной работе предлагаются к рассмотрению
наиболее актуальных проблем, стоящих перед чело-
результаты экспериментальной проверки эффектив-
вечеством. На загрязнение атмосферы вредными вы-
ности конструкторских мероприятий, направленных
бросами значительная доля приходится на транс-
на снижение оптической плотности выпускных газов
портные средства. Поэтому при проектировании и
двухтактного дизельного двигателя типа 6ТД с гори-
эксплуатации транспортных средств в настоящее
зонтально расположенными цилиндрами и противо-
время, наряду с их экономической эффективностью,
положно движущимися поршнями и регулируемым
экологические показатели играют важную роль. Это
давлением наддува.
применительно и к спецмашинам, которые создают-
Для снижения оптической плотности выпуск-
ся и эксплуатируются в интересах Министерства
ных газов при пуске и на переходных режимах в КП
обороны Украины.
ХКБД реализованы следующие конструкторские
В Казённом предприятии "Харьковское конструкторское бюро по двигателестроению" этому вопросу уделяется большое внимание.
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 2’2004
мероприятия:
– в регуляторе установлен механизм отрицательной коррекции, обеспечивающий уменьшенную
63