автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Обеспечение воспламенения различных топлив в дизеле с камерой сгорания в поршне электрическими свечами накаливания

р Г Б ОД

р г • На ¡травах рукописи

Малоземов Андрей Адиевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТОПЛИВ В ДИЗЕЛЕ С КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ В ПОРШНЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВЕЧАМИ НАКАЛИВАНИЯ

Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск 1995

Работа выполнена в Челябинском государственном агроинженерном университете (ЧГАУ).

Научный руководитель: кандидат технических неук

Редько И.Я.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Лаврик А.Н.

Официальные оппонента: доктор технических наук, профессор

Лазарев Е.А.

кандидат технических Ьаук, доцент

Ведущая организация: Акционерное общество открытого типа

"Уралтрак".

заседании диссертационного совете К 053.13-02. Челябинского государственного технического университета по адресу: 454030,

Васильев Е.К,

Защита состоится

195бт. в — часов на

г.Челябинск, пр.Ленина, 76-

Автореферат разослан

Ученые секретарь диссертационного совета: /

у) //

'¿Ь

-г-

ОШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

-Актуальность проблемы. Одним из перспективных путей развития двигателестроения является дальнейшее совершенствование конструкций дизелей "в направлении улучшения их мощностных показателей, повышения топливной экономичности, надежности, долговечности, снижения дымности, токсичности и шумноети работы, расширения диапазона применяемых топлив, в том числе и за счет их нетрадиционных видов.

В настоящей работе рассматривается -проблема обеспечения воспламенения низкоцетановых топлив в дизеле путем использования в качестве источника принудительного воспламенения - электрической свечи накаливания (СН), устанавливаемой в камере сгорания. Свеча накаливания позволяет не только расширить номенклатуру применяемых, топлив, но и улучшить пусковые свойства дизеля, достичь большей управляемости рабочего цикла. Использование СН в дизелях нуждается в теоретическом обосновании, однако недостаточная разработанность математических моделей процесса воспламенения топливо-воздушной смеси от СН не позволяет на стадии проектирования с достаточной достоверностью оценить период задержки воспламенения (ПЗВ), который оказывает существенное влияние на рабочий цикл. Недостаточно изучены вопросы влияния особенностей установки СН и режима ее работы на процесс воспламенения и параметры рабочего цжла дизеля. В этой связи проблема использования СН для облегчения воспламенения низкоцетановых топлив является актуальной.

Цель исследования. Повышение эффективности использования электрических свечей накаливания для улучшения многотопливных свойств дизеля .

Задачи исследования:

1. На основе анализа механизма воспламенения топлив различных свойств в камере сгорания дизеля со СН разработать математическую модель определения ПЗВ.

2. Выявить критерии воспламеняемости топлива с использованием

СН.

3- Оценить влияние свойств топлива на процесс воспламенения с использованием свечи накаливания.

4. Установить влияние процесса смесеобразования, способа установки СН и решма ее работы на период задержки воспламенения.

5. Определить влияние режима работы двигателя на процесс воспламенения топлива от свечи накаливания.

•Объект исследования; дизель 1415-0/20.5 с камерой сгорания в поршне типа ЦНЩЩ со свечами накаливания.

Научная новизна: Установлены зависимости ПЗВ от режимов работы дизеля со СН на топливах различных физико-химических свойств. Определено влияние способа установки и режима работы СН на ПЗВ.

Практическая ценность. Разработаны рекомендации по использованию СН в дизеле промышленного трактора при работе его на смесях дизельного топлива и бензина, на бензине, а также на керосине и "газоконденсатных тошшвах. Предложена методика определения ПЗВ в дизеле со СН при использовании различных видов топлива на стадиях проектирования и доводки рабочего процесса.

Реализация_результатов_исследования. Результаты

исследований используются при создании многотопливной модификации дизеля Д-160 на АО "Уралтрак".

Апробация. Основные положения диссертационной работы обсуждались и одобрены на научно-технических конференциях в ЧГАУ (г.Челябинск 1994-1995гг.) и ЧГТУ (г-Челябинск 1995г.).

Публикация результатов исследований. По результатам исследования опубликовано 4 работы и представлена заявочная документация на "Способ работы свечи накаливания в камере сгорания дизеля" И°95-Ю2755/06(005053), дата приоритета: 24.02.95г.

Объем диссертации. Диссертация изложена на 159 страницах, из которых 124 страницы машинописного текста (введение, пять глав, заключение), 3 приложения, рисунков 43. таблиц 7, список литературы включает 94 наименования.

СОДЕРЖАШЕ РАБОТЫ

В первой главе дан обзор способов обеспечения многотопливных свойств дизеля, конкретных конструкций реализующих эти способы и анализ особенностей рабочего никла многотопливного лиселя. На основе результатов анализа обосновано применение источшпса принудительного • воспламенения, как средства улучшения многотопливных свойств дизеля. Рассмотрены особенности рабочего цикла при использовании СН.

Повышение эффективности использования СН в качестве источника воспламенения сдерживается недостаточной разработанностью теории принудительного воспламенения топликно-воздушной смеси в камере сгорания многотошшвного дизеля, в частности методов определения ПЗВ. В этой связи определение ПЗВ в многотопливном дизеле возможно при повышении дострверности математической модели процесса принудительного воспламенения топлив различного фракционного состава от СН. Исходя из этого сформулированы ~ цель и задачи данного исследования.

Во второй главе приведены • обзор методов определения ПЗВ различных топлив в дизелях с самовоспламенением и оценена возможность их использования для расчета ПЗВ в дизеле со СН. Определены возможности использования существующих теорий воспламенения топливно-воздушной смеси накаленным телом для оценки ПЗВ. Обоснованы направления работы по достижению поставленной цели.

Объем пограничного слоя факела топливо-воздушной смеси, окрукащего поверхность нагревательного олемента СН можно условно разделить на две зоны: зону непосредственно соприкасающуюся с накЕленной поверхностью, где процесс активации молекул топлива существенно отличаете« от такового при самовоспламенении, и зону несоприкасающуюся с поверхностью, где процесс активации молекул топлива аналогичен процессу самовоспламенения в части приращения температуры смеси саморазогревом от реакции окисления. Поэтому принципы, используемые при определении периода задержки

о

самовоспламенения, могут быть применены при расчете ПЗВ с воспламенением от СН.

Авализируя известные способы определения периода задержки самовоспламенения, можно заметить, что в основе большинства из них лежит функция тепловыделения реакции с нормальной кинетикой (закон Аррениуса):

• Р(Г)=С-ехр(-Еа/(К-Тт)), (1)

где С - константа; Е„ - внергия активации молекул топлива, Дж/ыолк; К ~ универсальная газовая постоянная, Да;/(моль-К); Тт -температура смеси, К.

Так шроко распространенное уравнение А\И.Толстова имеет вид:

Г1=АV1} •ехр(Еа/(И-Тт)), (2)

где А - константа; Р - давление в камере сгорания, МПа: п^ -порядок реакции.

Известные методы не могут быть без существенных погрешностей применены для расчета ПЗВ в дизеле со СН вследствии различия процессов самовоспламенения и принудительного воспламенения на начальном этапе и в зоне непосредственного контакта смеси и накаленной поверхности.

Теории воспламенения движущейся топливо-воздушной смеси накаленным телом, основанные на законах математической статистики и сохранения энергии, в конечном итоге приводят к уравнениям аналогичным рассмотрении выше. Тепловая теория Я.Б.Зельдовича, согласно которой критическим условием воспламенения является равенство нулю градиента температуры вблизи накаленного тела, утверждает, что:

ат /-р(фб)-й-тв2

-=/-, (3)

к / Дт-Еа

где Хт - коэффициент теплопроводности топлива, Дк/(м-град); Тв -температура принудительного воспламенения топлива, К.

Наиболее разработана и универсальна теория, предложенная академиками Н.Л.Хитриным и С.А.Гольденбергом и основанная на совместном решении уравнений теплопереноса (Фурье) и массопереноса (Навье-Стокса):

Р0 ■ С0 • ( ЭТ/ЭГ • ЭГ/ЭХ+0у ■ ЭТ/Эу • ЭТ/Э2 ) = Н ■ (э2т/ах2+э2т/ау 2+а2Т/эг2) +<Зр • к0 • от- ехр (-%/(й • Т)) (4)

зо/эт +их•эо/эх+Ыу•эс/эу+о2-эо/аа= -О-(э2о/эх2^е/зу^+а^/зи2)-!^-в -вхр(-Е /(й-Г)) (5)

■х

где р0 - начальная плотность топлива, кгЛг; с^, с, ст -начальная, текущая и средняя концентрация топлива, кг/кг; <а -скорость потоки топливо-воздушной смеси (вдоль осей X, У И 2 соответственно), м/с: кд - константа; <3р - тепловой эффект реакции, Дк: I) - коэффициент диссоциации, Т - текущая температура топливо-воздушно» смеси, К,

Эти теории в чистом виде затруднительно использовать для определения ПЗВ в дизеле со СН, т.к. они не учитывают особенностей его рабочего цикла. Однако, некоторые их положения могут явится базой при создании методики расчета ПЗВ в дизеле со СН.

В третьей главе приведены результаты теоретических исследований по определению ПЗВ различных топлив в рабочем цикл дизеля со СН, получена математическая модель процесса принудительного воспламенения топлива от СН, найдены граничные условия воспламенения. На основе математической модели разработана методика расчета ПЗВ в дизеле с каморой сгорания в порше с электрическими СН.

При создании математической модели процесса восшюменния топливо-воздушной смеси в камере сгорания дизеля использована гипотеза предполагающая,что процесс воспламенения потока смеси от СН сочетает черты как принудительного воспламенения, так и самовосплямене!Шя. При этом процесс воспламенения рассматривается кпк двухитагшмА: на первом отмие - в соне непосредственного

-ь-

контакта топливо-воздушой омэси с накаленной поверхностью, где молекулам топлива от свечи сообщается энергия намного превышающая энергию активации и приводящая к гибели активных центров бес выделения тепла, а на втором - вследствие рассеивания и поглощения энергии в объеме пограничного слоя, молекулы топлива в зоне не входящей в непосредственный контакт с накаленной поверхностью, приобретают энергию превышающую' энергию активации, но не приводящую к гибели активных центров. На последнем этапе начинается процесс саморазогрева смеси, приводящий к необратимости воспламенения, топлива в остальном объеме камеры сгорания.

В соответствии о этой гипотезой, при создании математической модели процесса воспламенения, использованы уравнения тепло- и иассопереноса (4,5) к уравнение тепловыделения реакции с нормальной кинетикой (1). При этом сделан ряд допущений: во-первых, теплопередача в пограничном слое осуществляется только за счет теплопроводности В его объеме, тогда уравнение Навье-Стокеа можно не использовать; во-вторых, теплопередача массопереносом вдоль оси у не зависит от теплопроводности вдоль оси х, тогда можно опустить член а^-эт/ау в уравнении (4): в-третьих, процесс рассматривается в плоскости перпендикулярной оси свечи, тогда можно опустить член . -ЗТ/Зг в уравнении (4); в-четвертых, тепловыделение за счет химической реакции очень мало по сравнению с мощностью свечи накаливания, поэтому на начальном этапе расчета можно допустить, что Т(Т)=0. В качестве одного из граничных условий использовано положение Я.Б.Зельдовича о равенстве нулю градиента температуры в момент воспламенения. Градиент температуры находился как суша градиентов температуры от реакции саморазогрева {по выражению (3)) и градиента температуры, зависящего от СИ.

В итоге получен ряд зависимостей связывающих величину ПЗВ -т^ с конструктивными параметрами и характеристиками режима работы

дизеля, а тагеке с физико-химическими свойствами используемых топлив, при этом ГОВ рассматривается в виде выражения:

т1=г1+гсн' 1*>

Тен=1п(/ 2.r(TB)-R-TB2/(XT.Ea)/(£.TT))/(-£2-a)f (7)

E=arcsi^TCH2-T/)/(TCH2+TCH2)/5B. (8).

VV<TeH^Scf/PcHv

где T-i - время распространения топливного факела от сопла форсунки

р

до поверхности СН, с; ат - температуропроводность топлива, м/с; Гсн - температура поверхности СН, К; Хв - коэффициент теплопроводноси воздуха, Дж/(м-град); Т^ - температура в камере

ЯТСФ

сгорания в конце периода г,. К: Sjr„ - площадь активной

J. ОН ty

(соприкасащейся с топливным факелом) поверхности СН, \г\ Р„ТГ -

сн

мощность СН, Вт.

Кроме того получены выражения определявшие граничные условия воспламенения топлива от свечи накаливания:

. w^W- <10)

TCH2PCH/(Scf-' V2*(V-R-*B /<V<W»' (11)

где - эмпирический коэффициент; d.eH - диаметр шттифта свечи, м; Цф - скорость топливного факела, м/с.

Выражения (6-11) служат основой для создания методики расчета ПЗВ различных топлив в дизеле с камерой сгорания в поршне с элекрическими СН. Алгоритм этой методики имеет следующий вид:

НАЧАЛО

1. Находится величина г^.

Созданная на основе данного алгоритма и полученной математической модели методика использована для расчета периодов задеркки воспламенения дизеля 1415.0/20.5 со СН. При работе указанного дизеля по нагрузочной. внешней скоростной и

регулировочной по углу опережения подачи топлива харзкеристикам, рис. 1. получены результаты совпадающие с результатами расчета (коэффициент парной корреляции экспериментальных и теоретических

•0.895).

1 -ч"*

значений Г.: г _____ „,

] гтоор твкс

20 22 24 25 25 30 в„з.

град.п.п.в.

Рио.1. Влияние угла начала подачи топлива на период задержки воспламенения дизеля 1415.0/20.5 со свечой накаливания (чц=0.126 г/цикл (А-76), чц-0,129 г/цикл (диз.топливо), п=1070 мин-1):

—х- бензин А-76, СН выключена, экспериментальные данные;

-о- бензин А-76, СН включена, экспериментальные данные;

-А- бензин А-76, СН включена, результаты расчета;

—х— диз. топливо, СН выключена, вксперименталыше данные; —о— диз. топливо, СН включена, экспериментальные данные; —д— диз. топливо, критическая величина г^; —Л— бензин А-76, критическая величина г^.

Анализ влияния процессов , смесеобразования, вида топлива и режима работы СН на величину ГОВ проведен на основании результатов теоретического исследования режимов работы дизеля.

В четвертой главе рассмотрены цели, задачи и методы проведения экспериментальных исследований рабочего цикла в дизеле со свечами накаливания. Описаны экспериментальная установка, приборы и оборудование, методики нахождения эмпирических коэффициентов,■ используемых при расчете периода задержки воспламенения, методики обработки результатов оксперимента.

Экспериыентальная установка создана на базе двигателя 1415-0/20.5. представляющего собой одноцилиндровый отсек дизеля Д-160. В головку цилиндра установлена штифтовая однопроводная свеча накаливания фирмы "МАС^М-МАЙЕШ" (номинальная мощнось 129 Вт при напряжении питания 24 В) (ем. рис. 2).

1 -форсунка, 2 -овеча накаливания, 3 -головка цилиндра, 4 -промежуточная втулка, 5 -камера сгорания , 6 -поршень.

Установка оборудована необходимыми для проведения вкопериыекта системами обеспечения ее работы и измерительными приборами. Исследования проводились с использованием дизельного топлива, бензина ¿-76,смеси бензина А-76 . и дизельного топлива (5056/5058 по объему), керосина осветительного, газового конденсата

Рис.2.Головка цилиндра дизеля 1415.0/20.5 со СИ:

Мастахского месторождения, обладающих широким диапазоном физико-химических свойств и позволяющих распространить выводы по результатам эксперимента на другие виды жидкого топлива.

На первом отапе определялись вольт-амперная и температурная характеристики СИ при прокручивании коленчатого вала двигателя без пуска. На втором отапе определялись пусковые, нагрузочные, внешние скоростные, регулировочные по вп характеристики на четырех видах топлива; дизельном, керосине, газовом конденсате, бензине А-76, смеси бензина А-76 и дизельного топлива (50%/50% по объему) без СН. Цель этапа - определение необходимости использования источника принудительного воспламенения при работе дизеля на различных видах топлива. На третьем этапе эксперимента определялись аналогичные характеристики при установленной в головке цилиндра СН и выключенном питании с целью оценки влияния установки СН на показатели рабочего цикла На четвертом етапе определялись те же характеристики при напряжении питания свечи ишт=24В. Использовались дизельное топливо и бензин А-76. Цель этапа -определение влияния СН на рабочий процесс дизеля. На пятом этапе определялась регулировочная характеристика по напряжению питания свечи на бензине А-76 с целью оценки, влияния мощности СН на рабочий цикл. Все этапы эксперимента выполнялись с целью подтверждения результатов теоретического исследования ПЗВ в дизеле с камерой сгорания в поршне с электрическими СН.

В пятой.глава приведены результаты экспериментальных исследований, их анализ, сформулированы выводы и рекомендации по способу установки и режимам работы СН. Дан анализ сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований ПЗВ, сформулированы выводы по возможности использования предлагаемой методики в практике конструирования и расчета многотопливных дизелей с воспламенением от электрических СН, обоснована экономическая эффективность применения свечей накаливания для обеспечения многотопливных свойств дизеля (коэффициент отношения приведенных годовых затрат по сравниваемым вариантам дизеля со свечами и без свечей И^ р =2.01. при уровне достоверности 0.55).

ППв

6

5 Ь 3 2 1

ЬО 20 О 20 ЬО f

град, пив

Рис.3. Индикаторная диаграмма диполя 1415.5/20.Ь со СН(епод"25 П>ад.п.к.в.. п=1070 мин. 1) на бензине А-76:

- Ре=0.40 МПа, свеча включена:

------- р =0.39 МПа, свеча выключена:

в

------- р=0.02 МПа, свеча включена;

6

....... Р =0.02 МПа, свеча выключена.

6

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Наилучшие пусковые свойства имеет дизель со свечой накаливания установленной в вырезе поршня с экраном (продолжительность пуска 5 шш при по=500-7СЮ мин"1).

2. Влияние СН на процесс воспламенения зависит от режима работы дизеля. Для варианта со свечой установленной в головке цилиндра при увеличении нагрузки, угла начала подачи топлива и уменьшении частоты вращения коленчатого вала, происходит уменьшение влияния СК на процесс воспламенения, что выражается в увеличении ПЗВ по сравнению с вариантом Ч ,-ОВ (со свечой

накаливания т1=2.17 мс, без свечи 1^=2.34 мс при п=1070 мин-1, со свечой г1=2.2б мс, без свечи £^2.37 мс, при п=800 мин"1).

ш 7оо аоо $оо <ооо то поо п

МИН''

Рис.4. Внешняя скоростная харакертетика дизеля 1415.0/20.5 со СН (цц=0.12б г/цикл (А-76), Цц-0,129 г/цикл (диз. топливо), 6П0Д=25град.п.к.в.):

-о- бензин А-76, свеча включена;

-х- дизельное топливо, свеча выключена.

3. На процесс воспламенения как дизельного топлива, так и бензина с помощью СН оказывают влияние главным образом физические свойства топлива: теплопроводность, теплоемкость, вязкость и внергия активации.

4. Дизель работающий на бензине А-76 более чувствителен к включению СН," за исключением малых углов подачи . топлива (6 =20-23 град.п.к.в.), где уменьшение величины г1 вследствии включения СН более выражено при использовании дизельного топлива. '

5. До ишт=15 В не происходит заметного изменения величины периода задерхки воспламенения. Минимальное напряжение необходимое для гарантированного принудительного воспламенения топливо-воздушной смеси в камере сгорания дизеля, в широком-диапазоне режимов работы, ишг=18В. С целью увеличения долговечности СН и уменьшения расхода топлива, необходимо обеспечить возможность работы свечи в двух режимах. Первый режим -при пуске, прогреве двигателя и работе на малых нагрузках или с малой частотой вращения коленчатого вала, требуется подавать к СН минимальное напряжение, обеспечивающее гарантированный пуск, прогрев и устойчивую работу дизеля. Второй режим - при работе прогретого дизеля в режиме близком к номинальному, требуется подавать к свече минимальное напряжение питания,' обеспечивающее гарантированное принудительное воспламенение топливо-воздушной смеси. Для дизеля 1415.0/20.5 температура штифта СН должна составлять соответственно 1000 и 1400 К.

6. При работе ыноготошшвного дизеля на дизельном топливе СН может быть использована только при пуске и прогреве. При работе дизеля на топливах с Ц.Ч.<34 СН может использоваться на всех режимах работы.

7. Для обеспечения качества процесса сгорания топлив облегченного фракционного состава (Ц.4.^34) аналогичного таковому при сгорании дизельного топлива недостаточно только установки СН в головку цилиндра ил регулировки 9П0Д- При этом необходимы дополнительные конструктивные мероприятия.

8. При работе дизеля 1415.0/20.5 на газовом конденсате, керосине, смеси дизельного топлива и бензина А-76 (50%/50% по объему), а также на топливах аналогичных физико-химических свойств, использование источника принудительного воспламенения необязательно.

9. Результаты экспериментальных исследований подтверждают достоверность предложенной математической модели и созданной на ее основе методики расчета ПЗВ в дизеле с камерой сгорания в поршне с воспламенением от электрической СН.

Основное содержание диссертации опубликовано в следукнцих работах:

1. Малоземов A.A. Индукционный период в дизеле с воспламенением от свечи накаливания / Вестник ЧГАУ. Челябинск: ЧГАУ, N8.

2. Малоземов A.A. Дополнительный- критерий воспламенения топливо-воздушной: смеси в цилиндре дизеля свечой накаливания / Вестник ЧГАУ. Челябинск: ЧГАУ, М8.

3. Малоземов A.A., Лаврик А.Н., Мицын Г.П. Результаты экспериментальных исследований влияния режима работы многотопливного дизеля со свечой накаливания на величину индукционного периода / Вестник ЧГАУ. Челябинск: ЧГАУ, N11.

4. Малоземов A.A., Лаврик А.Н., Редько И.Я. Методика расчета периода задержи воспламенения для многотопливного дизеля с воспламенением от свечей накаливания / Вестник ЧГАУ. Челябинск: ЧГАУ, N12.

ЛР Jí 020364 от 20.01.92. Подписано а печать 28.12.95. Формат 60x84 I/I6. Печать офсетная. Усл.печ.л. 0,93. Уч.-изд.л. 1,0, Тирах 100 экз. Заказ 558.

У0И издательства. 454080, г. Челябинск, пр.ил. В.И. Ленина, 76.