Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Снижение расхода топлива и вредных выбросов дизеля при дополнительном диспергировании топлива

#4 апрель 2007

ванкя экономических и экологических показателей двигателей внут-реннего сгорания" (г

УДК 621.436.019.03

 

 

А.Е.Свистула

Алтайский государственный технический университет им.И.И.Ползунова

 

 

Постановка задачи.

Специфика горения топлива в цилиндре дизеля при большой неоднородности топливно-воздушной смеси по составу и температуре, высоких значениях давления и температуры предопределяет параллельно развитию процессу горения крекинг топлива и выделение свободного углерода в виде сажи с медленным догоранием последней на линии расширения с высоким коэффициентом несвоевременности сгорания. Количество выделяющейся сажи в цикле может служить косвенным индикатором качества процесса смесеобразования. Повышение экономичности требует рациональной организации взаимодействия топливной и воздушной фаз для снижения вероятности образования температурно-концентрационных неоднородных зон и последующего выделения сажи в цилиндре. При развитии свободного топливно-воздушного факела качество смесеобразования весьма низкое и существенно улучшить его посредством обычных мероприятий (изменением давления впрыскивания, диаметра сопел, параметров газовой среды и т.д.) не представляется возможным.

Существенно уменьшить неоднородность в распределении топлива по окислителю можно за счет разрушения переобогащенных топливом зон путем впрыскивания топлива с присадкой газа или водо-топливной эмульсии (ВТЭ) в оптимальной пропорции. Преимуществом такого впрыскивания является дополнительное диспергирование топлива и более качественное распределение его по окислителю соответственно за счет расширения пузырьков газа на выходе из сопловых отверстий распылителя или явления «микровзрывов» и «микроструй», тем самым уменьшается вероятность образования зон, переобогащенных топливом, участвующих в крекинг-процессах при диффузионном сгорании, т.е. подавляется необходимое условие для образования сажи в условиях дизеля, которая является невыгодной как с экономической, так и с экологической точек зрения. Опыт использования устройств для впрыскивания топлива, насыщенного газом, фирмами "Камминс" и "Комацу", а также систем питания водо-топливными эмульсиями подтверждает это. Показано, что оптимальным местом образования газо-топливной смеси или водо-топливной эмульсии является линия высокого давления ТА, что позволяет оперативно управлять их составом.

Для решения поставленной проблемы сформулированы следующие задачи:

- теоретическое исследование влияния обеспеченности топлива окислителем на внутрицилиндровые процессы дизеля (тепловыделение, образование и выгорание сажистых частиц и др.), экономичность, выброс сажи с ОГ дизеля;

- разработка способа впрыскивания топлива с присадкой газа и ВТЭ, опытной топливной аппаратуры, выполнение комплекса экспериментально-теоретических работ по исследованию закономерностей впрыскивания топлива с присадкой, развитию факела;

- экспериментальное исследование внутрицилиндровых процессов и основных показателей рабочего процесса экспериментального дизеля 1Ч13/14 при работе с опытной топливной аппаратурой; прогнозирование эффективности использования воздушного заряда цилиндра, результирующего сажевыделения, тепловыделения, формирования индикаторного КПД.

Теоретическое исследование.

Расчетно-теоретическое исследование возможности повышения экономичности и снижения выброса сажи с ОГ дизеля при уменьшении сажевыделения в камере сгорания посредством увеличения эффективности использования воздушного заряда цилиндра проведено на основе математической модели результирующего сажевыделения в цилиндре дизеля, разработанной профессором С.А.Батуриным, в основу которой положены высокотемпературный ацетиленовый механизм разложения углеводородов в газовой фазе по П.А.Теснеру и гетерогенное окисление частиц углерода на основе использования фундаментальных исследований А.С.Предводителева, А.Н.Хитрина, В.В.Померанцева и др. применительно к условиям цилиндра дизеля, содержание которой выражается следующей системой дифференциальных уравнений [3]:

;

2);

3);

;

;                                                 (1)

;

7);

;

;

индексами обозначено: 1 – С14Н30; 2 – С3Н6; 3 – СН4; 4 –

С2Н4; 5 –С2Н2; 6 – Н2; 7 - любая инертная молекула, не принимающая участия в химическом реагировании; Ri - скорость реакций, Mi - концентрация.

Модель позволяет прогнозировать текущую концентрации сажи в цилиндре при известных характеристиках ввода s(j) и выгорания х(j) топлива для любого нагрузочного режима. Расчет образования сажи выполняется в интервале времени от начала поступления топлива в цилиндр до момента его сгорания по зависимости х=f(j), а горение сажи – в интервале времени от начала активного тепловыделения до начала открытия выпускных органов. Результирующее сажевыделение определяется как кинетикой механизмов образования и выгорания сажи, так и характеристикой х=f(j) через параметры состояния рабочего тела (РТ) и время процессов образования и выгорания сажи. Состав топливно-воздушной смеси в зоне горения (пиролиза) в модели учитывается коэффициентом избытка воздуха aг в этой зоне. Очевидно, что aг будет отражать условия смесеобразования в камере сгорания, и при увеличении aг можно предполагать улучшение эффективности выгорания топлива с меньшим сажевыделением.

Для вычисления aг выбрана методика Н.Ф.Разлейцева, доведенная до численного решения и позволяющая связать зависимость коэффициента выгорания топлива х(j) с коэффициентом aг(j) [10]:

.                                                                  (2)

Здесь величина xв отражает степень эффективного использования воздушного заряда и задается по аппроксимирующей зависимости, вид которой определяется положением ее минимума (для дизеля с полуоткрытой камерой сгорания рекомендуется jzo = 0,33 и xво = 0,45...0,55, причем, чем лучше качество смесеобразования, тем величина xво  больше). Связь между составом топливно-воздушной смеси в зоне горения aг(j) ( или xв(j)), характеристиками подвода s(j) и выгорания х(j) топлива устанавливалась по обобщенному кинетическому уравнению:

,                                                     (3)

А - постоянный для данного режима работы коэффициент.

Для анализа эффективности ввода теплоты в цикл (в т.ч. от выгорающей сажи) использован дифференциальный метод, известный по работам Д.Д.Матиевского [6, 7]. Индикаторный КПД ηi определяется по уравнению, представляющему собой разность относительного количества располагаемой теплоты, введенной в цикл, и долей потерянной DХНП и неиспользуемой di теплоты в цикле (4):

,                                               (4)

где неиспользование теплоты di определяется по уравнению непосредственной связи индикаторного КПД с характеристиками выделения и отвода теплоты от рабочего тела (РТ), которые описывают одну из сторон проявления развития разнообразных внутрицилиндровых процессов: выгорания топлива, теплообмена, диссоциации и пр., и выражается коэффициентами неиспользования теплоты, соответственно в эталонном цикле dэ, от несвоевременности ввода dнс, переменности состава dс и температуры dт РТ (dк =dс+dт), по различным причинам отвода теплоты dw:

; ;

; ,

здесь ,  - степень сжатия текущая и в ВМТ; к – показатель адиабаты;  и  - соответственно доли выделившейся и отведенной теплоты; jn – коэффициент, учитывающий переменность показателя кn.

Численным исследованием определена чувствительность модели сажевыделения к изменению функций xв(j), х(j), s(j), при этом получено снижение текущей концентрации сажи в цилиндре при увеличении степени использования заряда цилиндра вплоть до xв(j)=1, при увеличении количества топлива, выгоревшего в первой фазе (относительная скорость сгорания аппроксимировалась двухэкспоненциальной зависимостью), при уменьшении промежутка времени между функциями s(j) и х(j) искусственным смещением функции s(j). Проведенные расчеты показали важность взаимной увязки функций xв(j), х(j), s(j) и точность задания положения s(j) при использовании модели результирующего сажевыделения.

 

а)

б)

Рисунок 1 - Зависимость параметров сажевыделения, рабочего процесса от эффективности использования воздушного заряда цилиндра

 

На рисунке 1 приведены расчетные зависимости параметров рабочего процесса, сажевыделения и использования теплоты в цикле от эффективности использования воздушного заряда цилиндра, чем более однородная смесь образуется в процессе горения (при xво®1), тем интенсивнее сгорание в цилиндре, раньше процесс выгорания сажи по скорости начинает опережать процесс ее образования; максимальная концентрация сажи Сmах снижается более чем на 20 %, а концентрация на выхлопе Сr - на 20...40 %. Одновременно увеличивается динамика цикла, выражающаяся в росте жесткости (dP/dj)max и давления Pmax. На рисунке 1 показано изменение индикаторного КПД hi цикла, коэффициентов неиспользования теплоты вследствие несвоевременности выгорания сажи dнссж и топлива dнс, радиационного теплообмена d, коэффициента использования теплоты выгорающей сажи hiсж=dнс/хс в зависимости от величины xво. Снижается количество теплоты выгорающей сажи хс при увеличении КПД ее использования hiсж и примерно постоянном значении КПД hiмс ввода теплоты хмс. Изменение величины dнс достигает 60 % от общего увеличения hi, а величина dнссж может составлять более 70 % в dнс. С возрастанием xво увеличение КПД hi связано как с ростом hiсж, так и с уменьшением хс на величину Dхс, на которую автоматически возрастает хмс, вводимая в цикл с большей скоростью при меньшей продолжительности, а соответственно и с большим КПД (hiмс=0,51).

Из таблицы 1 видно, что при увеличении xво все коэффициенты неиспользования теплоты уменьшаются примерно пропорционально снижению хс, однако, коэффициенты потерь от несвоевременности выгорания сажи dнссж и радиационного теплообмена dwрсж, уменьшаются примерно в 4 раза. Снижение суммы этих двух коэффициентов dнссж и dwрсж составляет почти 40 % в общем уменьшении неиспользования теплоты выгорающей сажи Sdсж.

 

Таблица 1

 

хс , %

dэсж, %

dнссж,%

dксж, %

dсж, %

dсж, %

Dнпсж, %

Sdсж, %

diсж, %

hicж

xво= 0,4

17,3

5,6

2,6

2,3

0,8

0,8

0,6

12,7

4,6

0,27

xво = 1

9,4

3,0

0,7

1,24

0,2

0,4

0,3

5,84

3,56

0,38

 

В итоге, анализом индикаторного КПД вскрыты причины его изменения и установлено существование потенциальной возможности его увеличения на 6...8 %, за счет снижения всех составляющих неиспользования теплоты в цикле, главным образом, за счет уменьшения несвоевременности и неполноты выгорания сажи, потерь от радиационного теплообмена.

 

Расчетно-экспериментальное исследование опытной топливной аппаратуры.

Для улучшения распределения топлива по окислителю разработана опытная система питания, защищенная авторским свидетельством и патентом [1, 8], позволяющая уменьшить вероятность образования переобогащенных топливом зон воздействием на структуру топливного факела за счет впрыска газо-топливной смеси или водо-топливной эмульсии.

 

Рисунок 2 – Схема опытной форсунки

Рисунок 3 – Опытная форсунка:

1, 2 – подвод топлива и присадки, 3 – датчик перемещения иглы, 4, 5 – датчики давления

 

Основным элементом системы топливоподачи является форсунка (рисунок 2). Форсунка имеет магистраль подачи присадки 1, содержащую обратный клапан 2, смесительно-диспергирующую камеру 3 с винтовой вставкой, и магистраль подачи топлива 5, 6. В конце впрыска после разгрузки ЛВД присадка, имея давление большее, чем остаточное давление дизельного топлива в трубопроводе, поступает через клапан 2 в смесительно-диспергирующую камеру 3, где образуется смесь присадки с топливом. Состав смеси регулируется изменением давления в магистрали присадки. При очередном впрыске смесь топлива с присадкой через сопловые отверстия поступит в цилиндр дизеля. «Взрывное» выделение газа (или «микровзрывы» и «микроструи» ВТЭ) улучшит диспергирование топлива и распределение его по окислителю. Фотография опытной форсунки с датчиками приведена на рисунке 3.

Расчетно-экспериментальное исследование опытной топливной системы проводилось с целью изучения влияния присадки на характеристику подачи топлива и развитие топливного факела. Для исследования характеристики впрыска разработана модель и уточнен метод гидродинамического расчета (на основе анализа работ И.В.Астахова, Л.В.Грехова, Н.Н.Патрахальцева, Ю.Я.Фомина, [2, 4, 9, 14] и др.)

Рисунок 4 – Расчетная схема топливной системы

 

При составлении расчетной схемы (рисунок 4) было принято следующее: в полости насоса высокого давления и топливопроводе находится чистое топливо с характерными для него свойствами, в подигольной полости форсунки находится смесь топлива с присадкой, тогда процессы, происходящие в полости форсунки, описываются следующими дифференциальными уравнениями:

- сплошности потока в полости перед иглой:

,                             (5)

 

- сплошности потока в полости под иглой:

,                                                  

(6)

- движения иглы форсунки:

,                                       (7)

- движения клапана подачи присадки:

,                                               (8)

где dQa/dt, dQдр/dt, dQц/dt, dQпр/dt - объемная скорость истечения топливной смеси соответственно в подигольную полость, в дренажную полость, в цилиндр дизеля, поступления присадки в надигольную полость; Рф, Ра, Рц, Рпр - давление в камерах распылителя, в цилиндре, в магистрали присадки; Vф, Va и Vосв - объемы камер распылителя и объем, освобождаемый конусом иглы при ее подъеме; fи, fи’ - площадь поперечного сечения и дифференциальная площадь иглы; mfг, mfс - эффективные сечения в седле иглы и сопловых отверстий; Mи, z - масса и перемещение иглы; си, z0 - жесткость и предварительное сжатие пружины форсунки; fкл - площадь поперечного сечения клапана присадки; mкл, s - масса и перемещение клапана присадки; скл, s0 - жесткость и предварительное сжатие пружины клапана; bсм - сжимаемость топливной смеси; uL - скорость топлива в выходном сечении нагнетательного трубопровода; cи, c, x - единичные функции.

В результате решения системы уравнений (5-8) совместно с уравнениями движения топлива в нагнетательном трубопроводе с учетом принятых допущений вычисляются мгновенный объем и масса впрыснутой смеси, а по окончании расчета вычисляется новое значение концентрации присадки в смеси. Несовпадение параметров топливоподачи в расчете и эксперименте составляет 3-15 %.

На рисунке 5 приведены параметры впрыска при изменении концентрации по массе присадки в топливе и неизменной цикловой порции топлива. Рост концентрации присадки воды z приводит к увеличению продолжительности врыска на величину Djвпр, а изменение давления Рпр в магистрали присадки (следовательно, и начального давления Рнд) вызывает несколько раннее начало впрыска (на Djнв=1° п.к.н.). Характеристика впрыска деформируется: общая продолжительность впрыска увеличивается, в начальной фазе относительная скорость подачи смеси  заметно выше по причине роста Рпр и Рнд. Относительная средняя скорость впрыска топлива  при малых расходах присадки остается неизменной, а при концентрации присадки z более 7 % отмечается ее снижение вследствие затягивания впрыска. Рост начального давления, определяемого Рпр, увеличивает , а увеличение объема цикловой порции смеси (наличие присадки) затягивает продолжительность впрыска jвпр и снижает величину . С ростом z отмечается увеличение как среднего Рф ср, так и максимального давления впрыска Рф max.

 

а) присадка воды

б) присадка воздуха

Рисунок 5 – Зависимость параметров впрыска от концентрации присадки (gцт=80 мг/цикл)

 

С ростом концентрации (по массе) присадки воздуха в смеси увеличивается объем впрыскиваемой смеси из-за меньшей ее плотности, т.е. при неизменном диаметре плунжера необходимо увеличивать его полезный ход. Продолжительность впрыска jвпр увеличивается на 13,5 град. (при e»10 %). Из-за большей сжимаемости смеси начало подачи топлива Djнв смещается до 5,5 град. в сторону запаздывания впрыска, что необходимо учитывать при регулировке топливной аппаратуры. Максимальное Рф max и среднее Рф ср давления впрыска сначала растут, а при большой концентрации воздуха начинают падать. Массовые скорости подачи смеси уменьшаются как максимальная (dsсм/dj)max, так и средняя (dsсм/dj)ср во всем диапазоне изменения e. Относительная объемная доля топлива в смеси dт снижается.

Проведены вариантные расчеты для различных диаметров сопловых отверстий dC и плунжера dП. Показана возможность управления концентрацией присадки в топливе.

Экспериментально работа топливной аппаратуры исследовалась измерительным комплексом, позволяющим выполнять типовые измерения, регистрировать давления в форсунке и штуцере насоса, перемещение нагнетательного клапана и иглы форсунки, расход присадки. Экспериментально найдены зависимости расхода присадки от частоты вращения кулачкового вала n, давления присадки Рпр, разгрузочного объема клапана Vр, давления начала подъема иглы форсунки Ро, нагрузочного режима двигателя. Показано, что с увеличением Рпр, Vр, Рпр/Ро концентрация присадки в смеси возрастает, т.е., изменяя указанные параметры, можно оперативно управлять составом смеси.

Отмечено увеличение стабильности работы опытной топливной аппаратуры (по «частоколу давлений»), особенно заметное на режимах малых цикловых подач.

Для изучения динамики развития топливного факела с присадкой использован метод кинорегистрации, и создана экспериментальная установка на базе скоростной кинокамеры СКС-1М с частотой съемки 4000 кадр/с. С увеличением концентрации газообразной присадки (воздуха) в топливе уменьшается дальнобойность факела L и увеличивается его ширина В. Объем топливного факела VФ возрастает на величину объема присадки газа Vпр при соблюдении условия

Рпр/Р0£0,7 (рисунок 6). Качественная картина топливного факела с присадкой газа к топливу изменяется: контур факела приобретает каплевидность; не наблюдается заострения при его вершине, значительно увеличивается угол раскрытия факела (~ в 5 раз), можно предположить увеличение поперечного переноса в струе, разрушение переобогащенной топливом сердцевины струи из-за «взрывного» расширения газовой фазы на срезе сопла. Все это свидетельствует о возможности организации более качественного смесеобразования.

Рисунок 6 – Зависимость параметров факела от e

 

Для исследования особенности скорости массопереноса потока распыленного топлива с присадкой газа разработан «времяпролетный» метод [11], основанный на регистрации оптической плотности импульсного дисперсного потока, проходящего через заданные оптические сечения (рисунок 7).

Рисунок 7 –Установка для регистрации скоростных характеристик факела:
1 – ТНВД, 2 – форсунка, 3 – поток распыленного топлива, 4, 5 – оптические сечения (оптопары),
6 – усилитель, 7 – АЦП, 8 – ЭВМ

 

Методика определения скорости массопереноса импульсного дисперсного потока распыленного топлива сводится к однозначному определению в произвольный момент времени впрыска t интервала времени транспортировки дисперсного потока через два соседних сечения i и i+1 одинаковых масс жидкости:

,                                               (9)

где  - интенсивность капель импульсного дисперсного потока в i сечении в произвольный момент времени впрыска.

Масса импульсного дисперсного потока Mi, прошедшая через i сечение потока за время ti, равна:

.                                                           (10)

Скорость импульсного дисперсного потока ui(t) определяется из отношения базового расстояния между сечениями i и i+1 ко времени транспортировки потока через эти сечения.

Дополнительное диспергирование топливной струи присадкой газа (рисунок 8) приводит к уменьшению массы центральной зоны факела, разрушению «сердцевины», содержащей более крупные капли, движущиеся с высокими скоростями (2/3…1)Vmax, и увеличению второй, периферийной зоны, состоящей из более мелких капель, имеющих меньшие скорости (менее 1/3Vmax). Фронтальная переобогащенная зона уменьшится по причине снижения скорости и движущейся массы «сердцевины», подпитывающей ее.

Рисунок 8 – Влияние газообразной присадки на распределение массы частиц в топливном факеле между «сердцевиной» (V>2/3Vmax) и остальной частью факела (V<1/3Vmax)

à - mсерд; о – mф

 

Предполагается, что в результате одновременного увеличения продолжительности впрыскивания и объема топливного факела, уменьшения массы частиц топлива в переобогащенной центральной части, двигающихся с высокими скоростями, подпитывающих фронтальную часть факела, имеет место прямо противоположное воздействие этих факторов на индикаторный КПД цикла, отсюда вероятно наличие максимального значения индикаторного КПД при оптимальной концентрации присадки к топливу.

 

Экспериментальное исследование рабочего процесса дизеля с опытной топливной аппаратурой.

Ниже приведены результаты сравнительных экспериментальных исследований влияния присадки газа и воды к топливу на индикаторные и эффективные показатели, дымность и токсичность ОГ, тепловыделение и сажевыделение дизеля 1Ч13/14 (одноцилиндровый отсек на универсальном картере). Исследовательская установка снабжена специальной измерительной аппаратурой для записи индикаторных диаграмм, осциллографирования параметров ТА, оптического индицирования камеры сгорания дизеля.

На начальном этапе определялось влияние концентрации присадки на параметры рабочего процесса и оптимальная ее величина (рисунок 9). Получено оптимальное значение концентрации воздуха в топливе e»3 % в широком диапазоне работы двигателя из условия максимальной экономичности. Определены оптимальные регулировки по углу начала впрыска. Путем замены присадки воздуха присадкой азота к топливу показано преимущественное "физическое" воздействие присадки на внутрицилиндровые процессы дизеля.

В случае с присадкой воды оптимальной для номинального режима является концентрация z»25-30 %. В диапазоне z<25 % значительную роль играют положительные факторы: лучшее распыливание топлива, подвод теплоты в районе ВМТ, снижение температуры и др. При z>25 % начинают сказываться отрицательные факторы: нежелательный отвод теплоты, изменение состава РТ (появление трехатомных газов) и др. С увеличением доли z присадки наблюдается рост тепловыделения в первой фазе с одновременным смещением угла достижения его максимума к ВМТ. Положение второго максимума практически не меняется. Отмечен рост задержки воспламенения топлива и смещение момента начала воспламенения в сторону ВМТ (на 4,5° п.к.в.). Управление расходом присадки путем изменения давления в магистрали присадки, а, следовательно, и начального давления впрыска автоматически компенсирует увеличение задержки воспламенения ji.

 

а) присадка о –воздуха; ÿ - азота

б) присадка воды

Рисунок 9 – Влияние концентрации присадки на показатели рабочего процесса дизеля 1Ч13/14 при n=1750 мин-1, Pi=0,88 МПа

 

В обоих случаях наблюдается рост жесткости процесса при оптимальном содержании присадки.

Исследования показали, что присадка воздуха в топливо e» 3 % для режимов работы с частотой вращения вала n = 1300...1900 мин-1 и нагрузкой Рi=0,5...1,6 МПа (рисунок 10) приводит к уменьшению расхода топлива на 4...5 %, выбросов сажи с ОГ на 30...40 % и окислов азота на 20...25 %. При этом увеличивается динамика цикла, выражающаяся в росте (dP/dj)max и РМАХ, из-за большего количества топлива, выгоревшего в первой фазе. Максимальная температура цикла ТMAX становится ниже, как следствие уменьшения цикловой подачи топлива, обеднения смеси и снижения теплоты ее сгорания.

При использовании присадки воды (рисунок 11) достигнуто снижение удельного индикаторного расхода топлива до 5 %, выбросов сажи с ОГ на 30...45 % и окислов азота на 30 % при некотором увеличении жесткости работы дизеля (до 5 %). Прослеживается возможность дальнейшего форсирования двигателя по нагрузке без ухудшения показателей экономичности и токсичности. Получен оптимальный расход присадки воды, подаваемой опытной ТА, по нагрузочной характеристике. На малых нагрузках целесообразна работа на чистом дизельном топливе, а далее с увеличением нагрузки необходим рост расхода присадки воды примерно до 30 %.

Анализом индикаторного КПД выявлено, что использование присадки воздуха и воды к топливу приводит к сокращению продолжительности сгорания, увеличению его полноты, уменьшению конвективного и радиационного теплообмена, что определяет снижение коэффициентов неиспользования теплоты в цикле вследствие несвоевременности dнс и неполноты Dнп сгорания, теплообмена dw, изменения температуры dт РТ. Наиболее существенно уменьшается несвоевременность сгорания dнс вследствие снижения сажевыделения и несвоевременности выгорания сажи в цилиндре, что в значительной мере предопределяет рост индикаторного КПД. Однако в случае с присадкой воды (рисунок 11б) наблюдается рост коэффициентов dw исп+нагр и dс, суммарное изменение которых и коэффициентов dнс и Dнп будет определять направление изменения индикаторного КПД и соответственно оптимальную концентрацию присадки.

а)

б)

Рисунок 10 – Зависимость параметров рабочего процесса тепловыделения и составляющих баланса теплоты от нагрузки дизеля 1Ч13/14 при n=1750 мин-1:

D - штатный вариант; о – с присадкой воздуха e»3 %; ÿ - азота eN2»3 %

 

а)

б)

Рисунок 11 – Зависимость параметров рабочего процесса тепловыделения и составляющих баланса теплоты от нагрузки дизеля 1Ч13/14 при n=1750 мин-1:

D - штатный вариант; о – с присадкой воды zопт

 

Исследовано влияние присадки к топливу на характеристики сажевыделения и радиационного теплообмена (рисунок 12). Присадка воздуха и воды приводит к дополнительному диспергированию топлива, ускорению процесса смесеобразования, меньшей вероятности образования зон, переобогащенных топливом, сокращению времени пребывания топлива в высокотемпературной зоне, что служит предпосылкой для уменьшения количества образовавшейся сажи в цилиндре и ускорению выгорания последней. При наличии избытка воды следует учитывать снижение скорости химических процессов образования сажи вследствие уменьшения температуры процесса и эффекта водородного торможения (эффект Лангмюра) и увеличение скорости выгорания вследствие повышения относительной роли реакций «мокрой» газификации углерода. Характер изменения  хорошо согласуется с результатами исследования работы дизеля на ВТЭ О.Н.Лебедевым и С.А.Батуриным [3, 5].

Прямым следствием процесса результирующего сажевыделения в дизелях является интенсивное тепловое излучение в цилиндре, которое вносит значительный вклад в формирование радиационной составляющей теплообмена Хwр и тепловой нагрузки деталей цилиндропоршневой группы. В случае использования присадок наблюдается снижение как максимального значения радиационного теплового потока qр, а также его продолжительности действия, что должно уменьшить тепловую нагрузку на детали КС и снизить потери теплоты через теплообмен (рисунок 12б).

 

а)

б)

Рисунок 12 – Относительная концентрация сажи и излучательные характеристики сажистого пламени в цилиндре дизеля 1Ч13/14 при n=1750 мин-1 и Рi=0,68 МПа:

¾ штатный вариант; с присадкой – – – воздуха e»3 %,  - - - воды z=25 %

 

В таблице 2 приведены значения коэффициентов, отражающих эффективность использования теплоты выгорающей сажи. Снижаются все составляющие неиспользования теплоты, но наиболее значительно уменьшаются коэффициенты, связанные с несвоевременностью подвода теплоты dнссж и радиационным теплообменом dwрсж. Таким образом, в опытных вариантах через выгорание сажи подводится меньшее количество теплоты, но с большей эффективностью.

 

Таблица 2

Присадка

хс

dэсж

dнссж

dксж

d

d

di

hi

Нет

0,17

0,055

0,03

0,0225

0,006

0,0086

0,0475

0,276

Воздух e»3 %

0,151

0,0475

0,0225

0,02

0,005

0,0075

0,045

0,3

Вода z=25 %

0,132

0,041

0,017

0,017

0,004

0,0065

0,0436

0,33

 

Исследованиями подтверждено влияние присадки к топливу на эффективность использования воздушного заряда цилиндра xВ. На рисунке 13 показано изменение степени эффективного использования воздушного заряда цилиндра по ходу процесса сгорания  для штатного варианта и с различными концентрациями присадки воздуха и воды  в топливо, полученное обработкой экспериментального материала с использованием выражения [10]:

,                                                   (11)

где s, dx/dj, х - характеристики подачи и выгорания топлива; А - постоянный для данного режима коэффициент; a - средний коэффициент избытка воздуха.

Из рисунка 13 видно, что чем больше концентрация присадки, т.е. чем лучше качество смесеобразования, тем больше минимальная величина эффективного использования воздушного заряда xв min. Характер протекания кривых  при использовании присадок к топливу практически не изменился. Наблюдается лишь несколько более позднее достижение точки минимума на кривой .

а) присадка воздуха (e)

б) присадка воды (z)

Рисунок 13 – Влияние концентрации присадки к топливу на эффективность использования воздушного заряда цилиндра

 

При оптимальной концентрации присадки минимальное значение xВ0 возрастает более чем на 30 %. Предложены эмпирические выражения (12) для определения координат минимума функции xВ(j) в зависимости от концентрации присадки, и обработкой экспериментального материала определены коэффициенты (таблица 3):

;             .                          (12)

Таблица 3

Присадка

a

b

d

k

a1

b1

d1

k1

воздух

0,61

2,05

0,19

1

0,352

2,103

0,023

0,81

вода

0,79

1,03

0,37

1

0,336

1,018

0,006

1

 

Это позволило вести расчет характеристики x(j) и замкнуть программы расчета впрыскивания и выгорания топлива, индикаторной диаграммы, результирующего сажевыделения и радиационного теплообмена, эффективности использования теплоты с выделением влияния на КПД hi присутствия сажи в цикле в единый комплекс расчета рабочего цикла дизеля с присадкой газа или воды к топливу.

 

Выводы:

1 Показано, что резервы повышения индикаторного КПД дизеля необходимо искать в интенсификации процессов смесеобразования и сгорания, позволяющей достичь уменьшения неоднородности в распределении топлива по окислителю, тем самым снизить результирующее сажевыделение в цилиндре. Вскрыт механизм влияния эффективности использования воздушного заряда на результирующее сажевыделение в цилиндре дизеля; установлено существование потенциальной возможности увеличения индикаторного КПД на 6...8 % за счет снижения всех составляющих неиспользования теплоты в цикле и, главным образом, за счет уменьшения несвоевременности и неполноты выгорания сажи и радиационной теплоотдачи.

2 Разработана и исследована опытная система топливоподачи, позволяющая повысить эффективность использования воздушного заряда присадкой газа или воды к топливу. Предложен алгоритм управления концентрацией присадки. Для исследования структуры и динамики топливного факела разработаны метод скоростной кинорегистрации и «времяпролетный метод» исследования скоростных характеристик распыленной топливной струи. Присадка приводит к увеличению угла раскрытия факела и его объема, уменьшению массы частиц топлива, двигающихся с высокими скоростями в переобогащенной «сердцевине», соответственно за счет дополнительного диспергирования его расширяющимся газом или за счет явления «микровзрывов» и «микроструй». В результате одновременного увеличения продолжительности впрыскивания и объема топливного факела, а также дополнительного диспергирования топлива с одновременным уменьшением скорости частиц топлива, существует максимальное значение индикаторного КПД.

3 Экспериментальными исследованиями дизеля с опытной системой питания зафиксировано снижение расхода топлива, содержания сажи и окислов азота соответственно на 4…5 %, 25…45 % и 20…30 % при некотором увеличении жесткости работы дизеля (до 5 %), снижение текущей концентрации сажи в цилиндре дизеля в среднем на 10...15 %  и, как следствие, уменьшение мгновенных радиационных тепловых потоков в среднем на 15...20 % при оптимальной концентрации присадки. Подтверждена определяющая роль уменьшения сажи в цикле в увеличении его экономичности (до 50 % от увеличения hi), выражающаяся в снижении комплекса коэффициентов dнссж, dнпсж, dwрсж неиспользования теплоты выгорающей сажи до 1,5 раз, свидетельствующая об уменьшении вероятности образования переобогащенных топливом зон. Найдены эмпирические закономерности параметров характеристики тепловыделения х(j) и степени эффективного использования воздушного заряда x(j) от концентрации присадки к топливу, что позволило замкнуть методики расчета тепловыделения, рабочего цикла, сажевыделения, топливоподачи в единый комплекс при исследовании рабочего процесса дизеля с опытной системой питания.

 

Литература:

 

1.      А. с. 1087681 СССР, МКИ3 F 02 M 25/10. Система питания двигателя внутреннего сгорания / А.Е. Свистула, Д.Д. Матиевский (СССР). - № 3556791/25-06; заявл. 28.02.83; опубл. 1984, Бюл. № 15.

2.      Астахов И.В. Подача и распыливание топлива в дизелях/ И.В. Астахов, В.И.Трусов, А.С. Хачиян и др. М.: Машиностроение, 1972. - 359 с.

3.      Батурин С.А. Физические основы и математическое моделирование процессов результирующего сажевыделения и теплового излучения в дизелях: автореф. дис. ... докт. техн. наук / С.А. Батурин; ЛПИ. – Л., 1982. - 44 с.

4.      Грехов Л.В. Топливная аппаратура и системы управления дизелей/ Л.В.Грехов, Н.А.Иващенко, В.А.Марков. – М.: Легион-Автодата, 2004. – 344 с.

5.      Лебедев О.Н. К вопросу о механизме сжигания водо-топливных эмульсий в судовых дизелях/ О.Н.Лебедев, В.П.Носов// Сборник тр./ НИИВТ. - Новосибирск, 1980. - Вып. 151. - С. 33-38.

6.      Матиевский Д.Д. Метод анализа индикаторного КПД рабочего цикла двигателя/ Д.Д.Матиевский// Двигателестроение. – 1984. - № 6. - С.7-11.

7.      Матиевский Д.Д. Участие сажи в рабочем цикле дизеля и индикаторный КПД/ Д.Д.Матиевский, В.И.Дудкин, С.А.Батурин// Двигателестроение. – 1983. - №3. - С. 54-56.

8.      Патент на полезную модель 42073 Российская Федерация, МПК7 F 02 М 25/022. Система питания дизеля. / Свистула А.Е., Матиевский Д.Д., Калюжный Е.М., Тактак А. (РФ) - № 2004121938/22; заявл. 19.07.2004; опубл. 20.11.04, Бюл. №32.

9.      Патрахальцев Н.Н. Дизели: система регулирования начального давления впрыскивания топлива/ Н.Н.Патрахальцев, А.А.Савастенко, В.Л.Виноградский// Автомобильная промышленность. – 2002. - №3. - С. 14-16.

10.   Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях/ Н.Ф.Разлейцев. - Харьков: Вища школа, 1980. - 169 с.

11.   Свистула А.Е. Экспериментальное исследование характеристик топливных струй дизельных форсунок/ А.Е.Свистула, Д.Д.Матиевский, П.Ю.Гуляев, А.В.Еськов// Двигателестроение. – 1999. - №1. - С. 29-31.

12.   Свистула А.Е. Осуществление присадки воды к топливу и ее влияние на показатели цикла и индикаторный КПД дизеля/ А.Е.Свистула, Д.Д.Матиевский, А.Тактак// Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2004. - №2. - С. 105-110.

13.   Свистула А.Е. Повышение экономичности и снижение вредных выбросов дизеля воздействием на рабочий процесс присадки газа к топливу/ А.Е.Свистула, Д.Д.Матиевский// Вестник АлтГТУ. – 2000. - №2. - С.122-129.

14.   Фомин Ю.Я. Топливная аппаратура дизелей/ Ю.Я.Фомин, Г.В.Никонов, В.Г.Ивановский. - М.: Машиностроение, 1982. - 168 с.

 

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2021 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)