автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение эффективности работы дизелей тепловозов путём интенсификации процессов горения электротермической обработкой топлива

005011427

На правах рукописи

Козменков Игорь Николаевич

-щ-

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ ПУТЁМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ТОПЛИВА

Специальность 05.04.02 - «Тепловые двигатели»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С 0ЕЗ

/^7

Самара2012

005011427

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Локомотивы».

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Носырев Дмитрий Яковлевич

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Шайкин Александр Петрович

- кандидат технических наук, доцент Орлов Михаил Юрьевич

Ведущая организация - ОАО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта».

диссертационного совета Д218.011.01 при Самарском государственном университете путей сообщения (СамГУПС) по адресу: 443066, г Самара, 1-й Безымянный пер.,18, СамГУПС, ауд. 5216, корпус 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан « 2-5» О ¿. 2012 года.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу совета университета.

2012 г. в'* часов на заседании

50

Защита диссертации состоится «01»

Ученый секретарь диссертационного совета Д218.011.01, к.т.н., доцент

В.С. Целиковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Несомненно, что одной из важнейших проблем сегодняшнего дня для всех отраслей народного хозяйства России является проблема наиболее оптимального использования энергоресурсов при хозяйственной деятельности. Непосредственно для железнодорожного транспорта эта проблема наиболее актуальна, так как железнодорожный транспорт является одним из главных потребителей органического топлива.

Запасы традиционных органических энергоносителей истощаются. Только на осуществление тяги поездов, в нашей стране, расходуется около 3 млн. тонн дизельного топлива в год. Постоянно растет его стоимость, цена дизельного топлива с конца 2000 г. возросла с 5 тыс. до 20-22 тыс. руб. за тонну на данный момент, в связи с этим возникает необходимость в снижении расходов на его приобретение.

Способом повышение эффективности и экономичности дизелей является увеличение полноты сгорания топлива в цилиндре дизеля. Одним из способов интенсификации внутрицилиндровых процессов является электрическая обработка топлива. Преимуществами этого способа являются: высокая экономичность, обусловленная непосредственным преобразованием электрической энергии в энергию движения частиц и химическую энергию ионов и электронов; конструктивная простота аппаратов; возможность непрерывного тонкого регулирования и управления процессами путём изменения приложенного напряжения, не требуется создание дополнительной инфраструктуры и внесения изменений в конструкцию двигателей.

Данная работа посвящена исследованию возможности интенсификации внутрицилиндровых процессов путём активации молекул топлива с помощью его электротермической обработки.

Целью работы является повышение эффективности работы дизелей путём интенсификации процессов горения в дизелях с помощью активации молекул топлива электротермической обработкой.

Для достижения данной цели были поставлены следующие научнотехнические задачи:

1. Создание математической модели, связывающей энергетические параметры обработки топлива со скоростью выгорания топлива и индикаторными показателями дизеля тепловоза.

2. Экспериментальное исследование электрической обработки топлива различными способами, выбор наиболее эффективного способа обработки топлива.

3. Экспериментальное исследование интенсификации диффузионного горения топлива с помощью электротермической обработки топлива.

4. Моделирование рабочего процесса дизеля, оценка влияния электротермической обработки топлива на его индикаторные показатели.

5. Разработка устройства для электротермической обработки топлива и оценка его эффективности.

Объект исследования

Процесс горения в дизелях.

Предмет исследования '

Влияние электротермической обработки топлива на скорость выгорания топлива.

Основные методы научных исследований. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы измерения больших электрических сопротивлений; методы определения подвижности ионов; математического моделирования теплофизических процессов; теории вероятностей и статистической обработки данных. При построении графических зависимостей и расчета использовались пакеты программ Microsoft Excel, Mathematica 5.0.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в разработке математической модели, описывающей интенсификацию диффузионного

горения топлива после электротермической обработки, и связывающей параметры электротермической обработки топлива со скоростью диффузионного горения топлива после его обработки.

Достоверность результатов работы подтверждается точностью и тарировкой измерительных систем, воспроизводимостью результатов экспериментов, использованием современных компьютерных аппаратных и программных средств сбора и обработки данных, согласованием полученных результатов с работами других исследователей.

На защиту выносятся

Модель диффузионного горения топлива после его электротермической обработки с помощью разряда в топливе.

Результаты экспериментального исследования удельного сопротивления топлива после его электрической обработки различными способами.

Результаты экспериментального исследования диффузионного выгорания топлива после его электрической обработки.

Система для электротермической обработки топлива.

Основными научными результатами, полученными автором, являются:

- соотношение, связывающее энергию, затраченную на разряд в топливе, с увеличением доли активных центров в нем.

- математическая модель, связывающая увеличение доли активных центров в топливе со скоростью выгорания и температурой воспламенения;

Практическая ценность. Полученные научные результаты позволили разработать систему для электротермической обработки топлива в дизелях с использованием обратной связи, позволяющую повысить эффективность сжигания топлива, увеличить мощность дизелей, их КПД и снизить удельный расход топлива на 2-4 %, упростить пуск в условиях низких температур окружающей среды.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс на кафедре «Локомотивы» в Самарском государственном университете путей сообщения, устройство для электротермической обработки топлива внедрено в лаборатории «Локомотивные энергетические установки» Самарского государственного университета путей сообщения.

Апробация работы. Основные материалы диссертации поэтапно

докладывались, обсуждались и получили одобрение на V Всероссийской научнопрактической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного

комплекса» (г. Самара, 2009 г., СамГУПС), научно-практической конференции «Обеспечение безопасного функционирования автомобильного транспорта в Самарской области» (г. Самара 2008 г.), научно-практической конференции «Будущее города в профессионализме молодых» (г. Новокуйбышевск 2011), Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития

двигателестроения» Россия,- Самара 2011.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 13 печатных работах, включающих 5 тезисов и 3 статьи, в том числе 2 - в изданиях рекомендуемых ВАК РФ, 5 патентов, общим объёмом 1,56 п.л., авторский вклад 64 %.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и 4 приложений. Общий объём диссертации составляет 144 страницы, включая: 38 иллюстраций, 5 таблиц, список использованных источников из 109 наименований, 4 приложения на 12 листах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и определены пути решения поставленной цели.

В первой главе проведен анализ способов повышения эффективности работы дизелей, эффективности сжигания топлива в дизелях и выявлены недостатки в организации этого процесса, рассмотрены способы интенсификации внутрицилиндровых процессов, сформулированы цели и задачи исследования.

Большой вклад в исследование проблем повышения эффективности дизелей и топливной экономичности внесли специалисты ВНИИЖТа, МИИТа, ОмГУПСа, МГТУ, РГУПСа, СамГУПСа и др. Вопросы эффективности работы и топливной экономичности дизелей тепловозов нашли отражение в трудах Иващенко H.A., Кавтарадзе Р.З., Володина А.И., Орлина A.C., Шароглазова Б.А., Четвергова В.А., Коссова Е.Е., Грищенко A.B., Просвирова Ю.Е., Носырева Д.Я., Орлова М.Ю. Фофанова Г.А., Хомича А.З. и других авторов.

На основании проведённого анализа отмечено, что основными задачами повышения эффективности дизелей тепловозов, являются повышение мощности и экономичности локомотивных энергетических установок. Одним из способов интенсификации внутрицилиндровых процессов является электрическая обработка топлива. Преимуществами этого способа являются: высокая экономичность, обусловленная непосредственным преобразованием электрической энергии в энергию движения частиц и химическую энергию ионов и электронов; конструктивная простота аппаратов; возможность непрерывного тонкого регулирования и управления процессами путём изменения приложенного напряжения.

Главную роль для воспламенения топлива играет наличие активных центров, на которых начинаются и разветвляются цепи реакции. Увеличение активных центров, т.е. нестабильных молекул, имеющих склонность к химическим превращениям, позволяет снизить температуру воспламенения, увеличить скорость горения. Увеличение активных молекул позволит увеличить скорость горения при сжигании топлива в дизелях тепловозов. И как следствие увеличить полноту его сгорания.

Большой вклад в исследование электрического воздействия на процесс горения внесли Шайкин А.П., Решетников С.М., Гуляев Г.А., Ефимов H.A., Старик А.М., Ватажин А.Б., Татарнов В.В, Евстифеев В.Б., Титова Н.С. и др. Проведенный анализ методов интенсификации внутрицилиндровых процессов с помощью увеличения активных центров показал, что необходимо исследовать электрическую обработку топлива с помощью игольчатых электродов, в сильном электрическом поле при пробивных напряжениях и при разряде в топливе. Исследование влияния электрической обработки топлива на его физико-химические свойства, электрической обработки топлива на его горение позволили по результатам анализа сформулировать цель и задачи исследования.

Во второй главе проведён анализ процессов, происходящих при электрической обработке топлива. Разработана математическая модель, связывающая энергетические параметры обработки топлива со скорость выгорания топлива.

Для понимания процессов, происходящих при электрической обработке топлива, изучены вопросы электропроводности жидких диэлектриков.

Удельная электрическая проводимость у определяется измерением тока I в плоском конденсаторе с площадью электродов Б и расстоянием между ними (1. Если напряжение на электродах равно и, то удельная проводимость в Ом'1-см'1 определяется по формуле

Величина, обратная у, называется удельным сопротивлением г.

£е

Согласно закону Арениуса, доля активных частиц составляет р0 = е **, где Еа — энергия активации, К - газовая постоянная, Т - температура. При разряде, в топливе происходит увеличение доли активных частиц, на что расходуется энергия разряда. Эго увеличение доли активных частиц эквивалентно увеличению частиц, которое произошло бы при нагревании всего объёма топлива на температуру АТ. Энергия необходимая для увеличения температуры на ДТ равняется 2 ■- стМ, где с -удельная теплоёмкость топлива, ш - масса топлива. При этом доля активных частиц

Ее

станет р = е *<Г+ЛГ> > т.е. доля активных частиц увеличится на

О Е

Л(Т+±-) --аАр = е ст _е КТ ^

Исходя из закона сохранения энергии, для образования такого количества активных частиц необходимо такая энергия как и при разряде. При этом энергия, затраченная на разряд, частично переходит в тепловую (кинетическую) энергию молекул, но в большей степени идёт на разрушение тяжёлых и образование более лёгких углеводородов, образование водорода, активных радикалов и молекул со свободной валентностью, и переходит в энергию электрического взаимодействия ионизированных частиц.

Число активных молекул при разряде в топливе увеличивается экспоненциально с увеличением энергии затраченной на этот разряд.

Данное выражение учитывает только образование активных частиц, но не учитывает рекомбинационные процессы. Учесть рекомбинацию можно, проведя экспериментальное исследование процессов, происходящих в топливе при его обработке и внести в эту модель эмпирические поправки.

Для описания горения обработанного топлива использовалась теория Зельдовича. Теорию горения Зельдовича Я.Б. называют тепловой теорией горения, т.к. основным лимитирующим процессом является передача тепла из зоны пламени, т.е. зоны выделения основного тепла в зону конденсированной фазы.

Основными допущениями данной теории являются следующие:

- рассматривается только плоский фронт горения (пламени), т.е. рассматривается одномерный случай;

- теплопередача происходит только путём теплопроводности, а тегогапотери отсутствуют;

Леоновым Г.Н. и Евстигнеевым В.В. получено решение для массовой скорости горения в данной модели. Массовая скорость горения при неизменном давлении зависит от температуры следующим образом:

где А - коэффициент, зависящий от теплопроводности, давления, плотности газовой фазы, порядка реакции и т.п., но который при выбранных условиях эксперимента

(5)

остается постоянным. В формуле (5) под корнем стоят два члена, содержащих температуру. Много больший вклад вносит экспоненциальный член, который характеризует долю активных молекул при данной температуре,

е КГ=р, Т=---------,

Л\п-

Р

тогда массовая скорость может быть выражена через долю активных центров так:

т„ = А

где А — постоянная.

На основе закона Аррениуса получено выражение, позволяющее оценить снижение температуры воспламенення топлива при его электрической обработке. Температуру воспламенения после обработки Т2, в зависимости от увеличения доли активных центров, можно найти по формуле:

где Еа —энергия активации [Дж/моль], II-газовая постоянная 8,31 [Дж/К-моль], Т1 -температура воспламенения топлива без обработки, р0, р— доля активных молекул соответственно без обработки топлива и после обработки.

Выражения (4),(6),(7) являются ключевыми в разработанной математической модели выгорания топлива после электротермической обработки и позволяют установить зависимость между энергетическими параметрами обработки топлива, массовой скоростью диффузионного горения топлива и температурой воспламенения топлива.

В третьей главе обосновывается выбор и описываются экспериментальные установки, использованные для исследования удельного сопротивления топлива при его обработке и для исследования влияния обработки топлива различными способами

на массовую скорость горения. Проводится планирование эксперимента, и рассчитываются ошибки измерений.

Для оценки влияния электрической обработки топлива на его свойства было исследована удельная проводимость и удельное сопротивление топлива, поскольку они являются основными электрическими характеристиками топлива.

Наиболее сопоставимы с условиями горения на экспериментальной горелке, дизеля тепловозов, в связи со следующими особенностями сгорания и смесеобразования в дизелях тепловозов: крупные дизели для поддержания в них термических напряжений на приемлемом уровне работают с большим избытком воздуха; в мощных тепловозных двигателях применяют в основном камеры неразделенные; в них осуществляется чисто объемное смесеобразование. Для конденсированных смесей, где размеры частиц компонентов малы, интерес представляют диффузионные пламена. Поэтому моделирование влияния электротермической обработки на рабочий процесс проведено на примере дизеля 10Д100.

Для оценки влияния электротермической обработки на рабочий процесс дизеля проведено моделирование рабочего процесса методом Вибе И.И. При каждом шаге моделирования необходимо рассчитывать долю топлива сгоревшего к данному моменту. Цикловую подачу топлива в тепловозах принято выражать в единицах массы, поэтому в эксперименте по горению обработанного топлива измерялась массовая скорость выгорания топлива.

На рис. 1 изображена блок-схема системы измерений для определения удельного сопротивления, используемая в данной работе. Напряжение регулируется с помощью ЛАТРа, соединенного с пластинами через усилитель переменного напряжения с линейным коэффициентом усиления 62.8±2.0. Усилитель собран на основе повышающего трансформатора и умножителя. Для измерения сопротивления топлива использовались проводящие плоскопараллельные пластины из оцинкованной стали площадью Б = 3,84 см% расстоянием между ними 1 = 1,5 мм и тераомметр Е6-13А.

Рис. !. Принципиальная схема системы измерения удельного сопротивления топлива:

1 - ЛАТР 2,5; 2 - усилитель переменного напряжения (коэффициент усиления равен 62,8); 3 - июльчатые электроды / = 1 см; 4 - проводящие плоскопараллельные пластины площадью в = 3,84 см2 и расстоянием между ними / = 0,15 см; 5 - тераомметр Е6-13А; 6 - полукруглые электроды I = ОД см; 7 - мультиметр БТ890В+

Схема использовалась для измерения удельного сопротивления при обработке топлива с помощью электрического поля между параллельными пластинами, с помощью разряда между пластинами и обработки игольчатыми электродами. Обработка производилась игольчатыми стальными электродами, находящимися на расстоянии 1 см от пластин, расстояние между электродами равнялось 1 см.

Рис. 2. Горелка для измерения массовой скорости горения Для измерения массовой скорости диффузионного горения топлива без обработки топлива и после его обработки игольчатыми электродами и разрядом

между полукруглыми электродами, использовалась горелка, изображённая на рис. 2, состоящая из цилиндрического прозрачного корпуса, в который вмонтировано две пары электродов, игольчатые и полукруглые. Расстояние между игольчатыми электродами 10 мм, а между полукруглыми 1 мм. На корпусе имеется шкала, с отметками через каждые 5 мл объема. Выгорание топлива происходило с поверхности фитиля, аналогичного фитилю, используемому в спиртовых лабораторных горелках. Диаметр поверхности, с которой происходило выгорание, равен 12 мм.

Удельное сопротивление рассчитывалось по формуле

С/5 Д5

Г=Т=Т’ (8)

где II - сопротивление столба жидкости между параллельными пластинами, определяемое тераомметром.

Напряжение электрической обработки регулировалось с помощью ЛАТРа, соединенного через усилитель с параллельными пластинами. Время обработки измерялось секундомером. После обработки пластины замыкались друг на друга и в течение трёх секунд подсоединялись к тераомметру, показания тераомметра записывались.

Для исследования влияния электрической обработки топлива на процесс горения была выбрана стандартная методика измерения массовой скорости горения, когда при известной массе топлива и площади, с которой выгорает топливо, замеряют время выгорания.

Объектом прямых измерений было время выгорания. Измерялось время, за которое выгорало 5 мл (4,2 г) топлива. В горелку наливалось 23 мл топлива, после чего, фитиль поджигался. В течение нескольких минут происходило горение, пока уровень топлива не доходил до 20 мл. За это время пламя стабилизировалось, края горелки нагревались до определенной температуры, что позволяло минимизировать ошибку, связанную с изменением скорости выгорания топлива. В момент, когда уровень топлива совпадал с отметкой шкалы, начинался отсчет времени, а когда он

опускался до следующего деления шкалы, делался замер времени. При этом массовая скорость горения определяется по формуле

т

где гп - масса сгоревшего топлива,Ч - время выгорания, А - диаметр горелки.

Измерения проводились без электрической обработки, при обработке игольчатыми электродами и при разряде в топливе между полукруглыми электродами. Напряжение обработки на электродах задавалось с помощью ЛАТРа, подключенного к электродам через усилитель. Измерение скорости диффузионного горения дизельного топлива позволило смоделировать влияние электротермической обработки на рабочий процесс дизеля.

В четвёртой главе представлены результаты экспериментального исследования влияния электрической обработки топлива различными способами на удельное сопротивление дизельного топлива и массовую скорость диффузионного выгорания дизельного топлива после его обработки.

При обработке топлива электрическим полем, удельное сопротивление возрастало и при увеличении напряжения обработки и при увеличении времени обработки. Полученные результаты свидетельствуют о том, что количество заряженных частиц в топливе при наложении поля уменьшается. При воздействии электрического поля, наведенного в диэлектрике, свободные и слабосвязанные заряды будут перемещаться по направлению к электродам — положительные заряды к отрицательному, отрицательные к положительному. Заряды, обуславливающие своим движением в диэлектрике ток утечки, доходят до соответствующих по знаку электродов, на поверхности которых нейтрализуются. Этим объясняется увеличение удельного сопротивления топлива при наложении на него поля.

При обработке топлива с помощью игольчатых электродов удельное сопротивление топлива уменьшалось, т.е. концентрация зарядов увеличивалась. Происходит это за счет выхода электронов из метала. Электроны захватываются

молекулами, превращаются в ионы, а положительные ионы, взаимодействуя с электронами, нейтрализуются или перезаряжаются.

При этом обработку игольчатыми электродами можно описать системой уравнений:

]г = (-1,47!У + 35840)[107ол<-л<] при и <3642 В [г = (-1,5И/ + 35840) [107ешл<] при О у 3642 В

При снятии напряжения, значение удельного сопротивления сразу возвращалось к начальному, поэтому использование этого вида обработки в дизеле неэффективно.

Третий способ обработки топлива - с помощью электрического разряда в топливе. При этом удельное сопротивление топлива также уменьшалось. На рис. 3 представлен график зависимости удельного сопротивления топлива от времени обработки. При этом удельное сопротивление снижалось до определенного значения при данном напряжении обработки, после чего снижение прекращалось. После снятия напряжения оставался постоянный во времени эффект снижения удельного сопротивления (рис. 3), что свидетельствует о необратимых изменениях в структуре топлива, поэтому этот способ обработки является предпочтительным. Это позволяет использовать электротермическую обработку топлива для интенсификации процесса горения в дизеле.

С. С

Рис. 3. Зависимость сопротивления дизельного топлива от времени обработки нри постоянном пробойном напряжении, подаваемом на параллельные пластины (сплошная - сразу после обработки, штриховая - после 15 мин. выдержки)

На основе полученных данных об удельном сопротивлении топлива сразу после обработки и после выдержки в зависимости от времени, рассчитана зависимость доли заряженных частиц после выдержки в 15 мин., 2 мин., 30 сек и сразу после разряда от удельной энергии разряда (рис. 4).

Число активных молекул при разряде в топливе увеличивается экспоненциально с увеличением энергии затраченной на этот разряд, но при этом имеется энергетический предел (рис. 4), при котором скорость образования частиц становиться равной скорости их рекомбинации (1,68 кДж/кг). При установке устройства для обработки топлива в топливную систему тепловоза 2ТЭ10 перед топливным насосом высокого давления, время между обработкой топлива и началом горения будет составлять менее одной секунды.

45 1 Г„/Г, %

40 - ♦ *

35 -

♦

30 - # о &

25 - ❖ « А А А А

20 - Щ

ф т

15 - А М т

• ■

10 - к т Ш

5 -

д 0,10’ Дж/кг

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

Рис. 4. Относительное увеличение удельной электропроводности в зависимости от удельной энергии

разряда. (♦)-сразу после обработки, (•) - через 30 сек.. А - через 2 мин., ■ - через 15 мин и более ! '

Исследование массовой скорости горения проводилось при нормашьных условиях. При исследовании массовой скорости горения дизельного топлива были получены следующие результаты. Массовая скорость горения необработанного дизельного топлива при сжигании его на используемой горелке, составила

ту= 24,78-10'3 кг/(м2 сек).

При обработке топлива игольчатыми электродами массовая скорость горения | составила

!

ту= 25,2(М0‘3 кг/(м2сек).

При обработке топлива с помощью разряда, получаемого на полукруглых электродах, массовая скорость горения составила

шу= 28ДЗ-10'3 кг/(м2 сек).

В результате эксперимента выяснено, что обработка топлива е помощью игольчатых электродов увеличивает скорость горения на 1,7 %. На обработку было потрачено 0,19 Дж/г энергии. При разряде в топливе скорость горения увеличилась на 13,5 %, и на обработку было потрачено 0,78 Дж/г.

Согласно полученному во второй главе выражению (4) при затрате энергии, равной 0,78 кДж/г, количество активных центров должно увеличиться в 1,22 раза; эксперимент дал значение в 1,25 раз. Результаты эксперимента с учётом погрешности и принятых допущений, подтверждают допустимость полученных выражений для оценки увеличения доли активных молекул. Из полученных результатов следует вывод, что почти вся затраченная энергия идёт на создание активных молекул и практически не рассеивается.

Из полученных во второй главе результатов, можно сделать вывод, что при увеличении удельной энергии обработки, можно добиться увеличения доли активных частиц в 1,53 раза. Такое увеличение доли активных частиц приведёт к увеличению массовой скорости горения на 24,6 %.

Наиболее эффективным способом обработки топлива является разряд в топливе. Разряд в топливе позволяет обработать большее количество топлива при малых затратах энергии за небольшой промежуток времени и при этом существенно увеличить скорость выгорания топлива.

В пятой главе проведено моделирование рабочего процесса и рассчитаны показатели дизеля 1 ОД 100 с учётом электротермической обработки топлива.

Для оценки эффекта электрической обработки топлива на показатели дизеля выбрана методика моделирования рабочего процесса, разработанная профессором Вибе И.И. Данная методика учитывает изменение плотности активных центров во времени и описывает действительный рабочий процесс двигателя.

Метод расчёта рабочего цикла, предложенный Вибе И.И., основан на цепном механизме процесса горения углеводородов. На основе общего кинетического уравнения цепных химических реакций

Вибе И.И. предложил полуэмпирическое уравнение выгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания

где п - постоянная, р — плотность активных центров, (/ / ^)- относительное время, его обычно заменяют соответствующим отношением (<р!ср,), в котором ф - угол поворота коленчатого вала двигателя, отсчитываемый от начала сгорания; фг -продолжительность сгорания, выраженная в градусах поворота коленчатого вала, т

- показатель характера сгорания. Параметр фи и соответственно определяет не только общую продолжительность сгорания, но также является показателем средней скорости сгорания. Величина гп полностью определяет относительное время, при котором скорость сгорания достигает максимума.

Для средней относительной скорости сгорания справедливо соотношение

Таким образом, (ср2) характеризуют скорость сгорания с количественной стороны.

Текущее давление газа в цилиндре определяется по соотношению:

X = 1 - е

(9)

(10)

\

д =

/

(11)

і де р; и рі_і - давление соответственно в конце и начале участка (і-1;і), qz — полная

Ах * *

удельная использованная теплота, М;і - доля топлива сгоревшего на участке (і-1;і),

У‘ и 1‘-' - удельный объём рабочего тела соответственно в конце и начале участка (і-1;0> К-ь = £ ' отношение средней теплоёмкости при постоянном давлении Ср к

средней теплоёмкости при постоянном объёме С,, на участке (і-1 ;і).

Для оценки влияния электрической обработки топлива на показатели дизеля был проведён вычислительный эксперимент. В качестве исходных данных были взяты рассчитанные по программе «Импульс» данные по рабочему процессу дизеля 10Д100. Моделирование проведено для различных начальных условий. На рис. 6 изображена расчётная и смоделированная развёрнутая индикаторная диаграмма на 11 позиции контролера при 770 мм. рт. ст. и температуре +30° С.

Установлены параметры, характеризующие процесс сгорания. На 11 позиции контролера (а=1,808) гп = 0,59, ф2 = 50° ПКВ. С учётом изменения средней скорости горения на 13,5 %, используя формулу (11) с учётом (10) и (12), получаем новые показатели процесса сгорания. После электротермической обработки новые параметры гп = 0,56, ф2 = 43,25° ПКВ. При дальнейших исследованиях необходимо так же учесть изменение задержки воспламенения и использовать электротермическую обработку топлива совместно с регулировкой угла опережения впрыскивания.

В результате проведённого моделирования были получены следующие результаты. Индикаторный КПД увеличился на 2,06 %, удельный расход снизился на 2,02 %, эффективная мощность увеличилась на 2,06 % (рис. 5). Это связанно с сокращением продолжительности процесса выгорания топлива и его более полным сгоранием. Разряд в топливе позволяет интенсифицировать выгорание топлива и этим улучшить показатели дизелей.

без обработки топлива. Штриховая - после обработки топлива разрядом

В шестой главе приводится описание разработанной системы для электротермической обработки топлива и определяется технико-экономическая эффективность разработанной системы для электротермической обработки топлива при использовании ее на дизелях тепловозов.

6

Рис.6. Система электротермической обработки топлива в двигателях внутреннего сгорания

Была разработана система электротермической обработки топлива в двигателях внутреннего сгорания (рис.б).

Система содержит гидравлическое устройство, состоящее из первого ионизатора 1, второго ионизатора 2, электрометра 3, сообщенных с входным 4 и выходным 5 топливопроводами двигателя (на чертеже не показан), и соединенных каналами для прохода топлива 6, первый 7, второй 8 и третий 9 высоковольтные регулируемые преобразователи энергии, источник низкого напряжения 10, блок принятия решения 11, блок анализа 12, датчик 13 режима работы двигателя (частоты вращения коленчатого вала), датчик ионного тока 14, датчик излучения 15.

Первый 7 и второй 8 высоковольтный преобразователь энергии подключен к ионизатору 1, насыщающему топливо зарядами, третий высоковольтный преобразователь энергии 9 подключен к ионизатору 2, обрабатывающиму топливо разрядом. Первый 7, второй 8 и третий 9 высоковольтные преобразователи энергии сообщены с источником 10 низкого напряжения и управляются блоком принятия решения 11, соединенного с блоком анализа 12. Датчики 13, 14, 15 и электрометр 3 подключены к блоку анализа.

В результате проведённого расчета было установлено, что снижение расхода топлива при использовании электротермической обработки топлива для дизелей тепловозов составит от 2 до 4 %.

Исходные данные к расчету: дизель 10Д100 тепловоза 2ТЭ10 с системой для электротермической обработки топлива:

Таблица 1

Исходные данные для расчета

№ Наименование показателя Значение

1 Тип локомотива 2ТЭ10

2 Коэффициент инфляции стоимости дизельного топлива в год 1,1

3 Стоимость дизельного топлива, без НДС, руб./т. 22 ООО

4 Среднегодовое время работы тепловоза, ч/год. 4015

5 Средний часовой расход топлива, кг/ч 188,9

Годовой экономический эффект от использования системы электротермической

обработки топлива в эксплуатации составит не менее 373,5 тыс. руб. в год на один

21

тепловоз. Чистый дисконтированный доход от использования системы для электрической обработки топлива при горизонте расчёта 5 лет, составит не менее 1230,8 тыс. руб. на один магистральный тепловоз 2ТЭ10. Срок окупаемости системы для электротермической обработки топлива составит 9 месяцев для тепловоза 2ТЭ10.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе получили дальнейшее развитие и практическое решение вопросы интенсификации процесса горения с помощью электротермической обработки топлива. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования, которые позволили получить следующие основные результаты:

1. Разработана модель диффузионного выгорания топлива после его электротермической обработки, связывающая энергию, затраченную на разряд со скоростью диффузионного выгорания.

2. Получены экспериментальные зависимости для удельного сопротивления топлива при обработке его различными способами. Предпочтительной является электротермическая обработка топлива с помощью разряда.

3. Получено экспериментальное подтверждение увеличения массовой скорости диффузионного горения топлива при его электротермической обработке на 13,5 %.

4. Проведено моделирование рабочего процесса дизеля тепловоза 10Д100 с использованием электротермической обработки топлива. Снижение удельного расхода топлива и увеличение индикаторного КПД составило 2-4 %.

5. Разработана система электротермической обработки топлива для дизелей. Дисконтированный доход от использования системы электротермической обработки топлива, при горизонте расчёта 5 лет, составит 1230,8 тыс. руб. на один магистральный тепловоз 2ТЭ10.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Козменков И.Н., Носырев Д.Я, Перспективные направления снижения вредных выбросов энергетическими установками // Актуальные проблемы развития транспортного комплекса: материалы V Международной научно-практической конференции. - Самара : СамГУПС, 2009. - С. 84-87.

2. Козменков И.Н., Носырев Д.Я. Повышение эффективности работы транспортных дизелей электромагнитной обработкой топлива и воздуха // Обеспечение безопасного функционирования автомобильного транспорта в Самарской области: материалы научно-практической конференция. Самара: СамГУПС, 2008. - С. 77-78.

3. Козменков И.Н., Носырев Д.Я. Воздействие на рабочий процесс как метод снижения токсичности отработавших газов тепловозных дизелей // Актуальные проблемы развития транспортного комплекса: материалы 4-й Международной научно-практической конференции. - Самара: СамГУПС, 2008. - С. 197-201.

4. Пат. 82004 Российская Федерация, МКП7 Р02М27/04. Ионизатор / Козменков И.Н., Носырев Д.Я.// заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (С;шГУГ1С) - заявл. 24.09.2008; опубл. 10.04.2009;.

5. Пат. 82003 Российская Федерация, МКП7 Г02М27/04. Система для обработки топлива электрическим полем в двигателе внутреннего сгорания / Козменков И.Н., Носырев Д.Я. // заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС) - заявл. 07.10.2008; опубл. 10.04.2009.

6. Пат. 76393 Российская Федерация, МКП7 Р02М27/04. Ионизатор топлива / Козменков И.Н., Носырев Д.Я., заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС) -2007149486/22, заявл. 27.12.2007; опубл. 20.08.2008.

7. Пат. 80512 Российская Федерация, МКП7 Г02М 27/04. Ионизатор топлива / Козменков И.Н., Носырсв Д.Я., заявитель и патентообладатель Государственное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС) - заявл. 21.08.2008; опубл. 10.02.2009.

8. Пат. 2377526 РФ Российская Федерация, МКП' G01M15/04. Способ диагностирования и прогнозирования технического состояния двигателей внутреннего сгорания в процессе их работы / И.Н. Козменков, Д.Я. Носырев, заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС) - 2008112329/06, заявл. 31.03.2008; опубл. 27.12.2009.

9. Козменков И.Н., Носырев Д.Я.. Повышение эффективности работы дизелей тепловозов // Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» - Самара 2011. - С. 131 -133.

10. Козменков И.Н., Носырев Д.Я.. Модель выгорания топлива в цилиндре дизеля после его электротермической обработки // Вестник транспорта Поволжья — 2011. — № 2(26). - С. 19-23.

11. Козменков И.Н., Носырев Д.Я. Повышение эффективности работы дизелей тепловозов с помощью электротермической обработки топлива // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика Королёва С.П. (национального исследовательского университета). 2011. -№ 3(27) часть II.-С. 150-155.

Материалы диссертации опубликованы ещё в двух тезисах.

Козменков Игорь Николаевич

Повышение эффективности работы дизелей тепловозов путём интенсификации процессов горения электротермической обработкой топлива

05.04.02 - Тепловые двигатели

Подписано в печать 23.01.2012. Формат 60x90 Ч-ц.

Уел. печ. листов 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 4.

Отпечатано в Самарском государственном университете путей сообщения. 443022, г. Самара, Заводское шоссе, 18.

61 12-5/1871

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

КОЗМЕНКОВ ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ -

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЕМ ТЕПЛОВОЗОВ ПУТЁМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ

ТОПЛИВА

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Д.Я. Носырев

САМАРА 2012

СОДЕРЖАНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................3

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................5

1.1 Эффективность дизелей тепловозов. Пути ее повышения.......................5

1.2 Эффективность сжигания топлива в дизелях. Полнота сгорания топлива....................................................................................8

1.3 Анализ факторов определяющих процесс горения........................... 13

1.4 Способы интенсификации внутрицилиндровых процессов.................18

1.5 Цель и задачи исследования.........................................................23

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ..........................................26

2.1 Анализ процессов происходящих при электрической обработке топлива.............................................. • • • ......................................26

2.2 Модель увеличения активных центров при разряде в топливе............................................................. • • • ........................45

2.3 Модель горения обработанного топлива.........................................47

2.4 Математическая модель воспламенения топлива при его электрической обработке .....................................................................................55

2.5 Выводы..................................................................................57

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА...................................................59

3.1 Обоснование выбора экспериментальных установок.........................59

В.2 Экспериментальные установки.................................................... .64

3.3 Методика измерений ..................................................................67

3.4 Погрешности измерений, проводимых в ходе эксперимента...............71

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ АНАЛИЗ..............76

4.1 Исследование электропроводности топлива....................................76

4.2 Исследование горения обработанного топлива................................83

4.3 Выводы...................................................................................87

ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ 10Д100 ПРИ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ТОПЛИВА.....................88

5.1 Кинетика сгорания в дизелях.......................................................88

5.2 Моделирование динамики сгорания в цилиндре дизеля.....................92

5.3 Сгорание топлива в дизеле тепловоза 10Д100 после электрической обработки....................................................................................95

ГЛАВА 6. СИСТЕМА ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТОПЛИВА НА ТЕПЛОВОЗАХ. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ............................................................Л 03

6.1 Система для электротермической обработки топлива......................103

6.2 Определение годового экономического эффекта от использования системы для электротермической обработки топлива в эксплуатации......111

6.3 Расчет показателей эффективности от внедрения системы для электротермической обработки топлива.............................................114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................121

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................122

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Несомненно, что одной из важнейших проблем сегодняшнего дня для всех отраслей народного хозяйства России является проблема наиболее оптимального использования энергоресурсов при хозяйственной деятельности. Для железнодорожного транспорта эта проблема наиболее актуальна, так как железнодорожный транспорт является одним из главных потребителей органического топлива для выполнения маневровой и хозяйственной деятельности [1,2]. Только на осуществление тяги поездов, в нашей стране, расходуется около 3 млн. тонн дизельного топлива в год. Поэтому повышение экономической эффективности работы дизелей является одной из наиболее актуальных задач на судовом и железнодорожном транспорте, а также в сельском хозяйстве.

Запасы традиционных органических энергоносителей истощаются. Постоянно увеличивается его дефицит и растет стоимость. Так, цена дизельного топлива с конца 2000 г. возросла с 5 тыс. до 18-20 тыс. руб. за тонну на данный момент. В связи с этим возникает необходимость в снижении расходов на приобретение моторного топлива в настоящее время и в перспективе.

Повышение эффективности дизелей связанно с решением основных проблем их эксплуатации [3].

Важной проблемой для дизелей является повышение их мощности. Средства решения проблемы повышения мощности ДВС многообразны. К одним из них относится повышение частоты вращения вала: чем она выше, тем большую мощность может обеспечить двигатель. Использование этого средства связано с необходимостью улучшения процессов смесеобразования и сгорания в дизелях. Именно увеличенная продолжительность сгорания топлива в дизелях сдерживает решение проблемы форсирования их по мощности повышением частоты вращения коленчатого вала.

К важным проблемам двигателестроения относится проблема пуска. Особенно проблема пуска дизелей при низких температурах окружающей среды. В таких условиях пуска, свежий заряд в цилиндре дизеля не удаётся сжатием разогреть до уровня температур, достаточных для обеспечения самовоспламенения топлива (для обеспечения надёжного самовоспламенения необходимо, чтобы в конце сжатия температура достигла величины порядка 310 °С).

Существуют различные способы решения названных проблем: внесение изменений в конструкцию двигателей, альтернативные топлива, совершенствование рабочего процесса. Преимущества и недостатки этих способов известны. Одним из наиболее эффективных способов является увеличение полноты сгорания топлива в цилиндре дизеля. Для этого необходимо интенсифицировать внутрицилиндровые процессы: распыл топлива, его испарение и горение. Одним из способов интенсификации этих процессов является электрическая обработка топлива. Преимуществами этого способа являются: высокая экономичность, обусловленная непосредственным преобразованием электрической энергии в энергию движения частиц и химическую энергию ионов и электронов; конструктивная простота аппаратов; возможность непрерывного тонкого регулирования и управления процессами путём изменения приложенного напряжения, не требуется создание дополнительной инфраструктуры и внесения изменений в конструкцию двигателей.

Данная работа посвящена исследованию возможности интенсификации внутрицилиндровых процессов путём электрической обработки топлива. Возможность влияния электрической обработки на скорость горения и температуру воспламенения позволит более полно сжигать топливо в дизелях тепловозов и тем самым повысить их технико-экономические показатели.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Эффективность дизелей тепловозов. Пути ее повышение

Непрерывное увеличение мощности дизелей — одно из важнейших направлений развития двигателестроения как в нашей стране, так и за рубежом. Однако решение этой задачи значительно осложняется тем, что размеры любой машины ограничены по габаритам, а масса — нагрузками на полотно. Увеличение размеров цилиндра или их числа повышает вес дизеля. Поэтому осуществлять дальнейший рост мощности дизелей только за счет этого нельзя. Практика показывает, что для У-образных дизелей число цилиндров должно быть не более 20 [2,5].

Одним из путей решения этой задачи является применение двухтактного дизеля, у которого рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала. Иными словами, в двухтактном двигателе при тех же размерах и той же быстроходности совершается в единицу времени в два раза больше рабочих циклов, чем в четырехтактном. Казалось бы, что при одинаковом рабочем объеме и той же частоте вращения вала мощность двухтактного дизеля должна быть в 2 раза больше мощности четырехтактного дизеля. Однако практически она возрастает только в 1,5— 1,7 раза, так как часть мощности приходится расходовать на привод нагнетателя воздуха, необходимого для пуска и продувки цилиндров; кроме того, часть хода поршня, при котором совершается расширение газа, приходится на период, когда открываются выпускные окна (клапаны) и газы в это время почти не совершают полезной работы. Наряду с повышенной мощностью двухтактные двигатели имеют большую равномерность вращения коленчатого вала и более простой газораспределительный механизм. Благодаря указанным преимуществам на тепловозах широко применяют двухтактные двигатели. Однако форсирование

мощности при ограниченных габаритах легче осуществить в четырехтактном цикле из-за возможности использовать простую схему турбонаддува и меньшей теплонапряженности дизеля. У четырехтактных дизелей с наддувом удалось получить лучшие параметры теплового процесса и больший к.п.д., а значит, и меньший расход топлива, чем у двухтактных [4-7].

Другой путь повышения мощности — увеличение частоты вращения вала дизеля. Чем быстрее будет вращаться коленчатый вал, тем большее число рабочих циклов в единицу времени будет выполнено и тем большая работа будет произведена в единицу времени. Однако, возможность увеличения частоты вращения вала дизеля ограничивается прочностью отдельных деталей его и интенсивностью их износа, который возрастает с ростом скорости движения деталей. Скорость же деталей шатунно-кривошипного механизма зависит не только от частоты вращения вала, но и от величины хода поршня, поэтому принято при определении быстроходности двигателя исходить из средней скорости поршня, которая у современных дизелей достигает 10—12 м/с [4-7].

Третий путь предусматривает повышение мощности дизеля увеличением работы, выполняемой в цилиндрах двигателя в течение каждого рабочего цикла. А чтобы увеличить эту работу, надо сжечь в цилиндрах больше топлива. Для этого используется наддув. Под наддувом понимается повышение мощности посредством повышения массового количества воздуха, подаваемого в цилиндры машины, с одновременным увеличением подачи топлива.

Реализация наддува приводит к существенному росту тепловой и механической напряжённости основных деталей и механизмов дизеля, ибо она достигается введением в камеру сгорания дополнительных количеств топлива. Поэтому при использовании наддува необходимы меры по ограничению температур и максимальных давлений рабочего тела в КС, а также применение более качественных материалов для изготовления деталей. Необходимы и

средства защиты двигателей от тепловых и механических перегрузок. К таким

6

средствам относятся масляное охлаждение поршней, клапанов и межклапанных перемычек, распылителей топливных форсунок, а также регулирование степени сжатия [3,8].

Реализация мер по повышению мощности связана с необходимостью решения ряда других проблем. В частности, мощный двигатель характеризуется хорошей экономичностью при условиях использования его на режимах полных нагрузок. Но при переходе на частичные нагрузки это его качество в значительной мере утрачивается, и именно потому, что для работы на малых нагрузках он не рассчитывался. В связи с этим для получения высокой эксплуатационной экономичности дизеля необходимо иметь пологое протекание его расходной топливной характеристики в широком диапазоне эксплуатационных режимов.

Расширение диапазона экономичной работы решается за счет [9,10]:

1) Увеличения воздушного заряда (надува);

2) Более эффективного сжигания топлива при малом коэффициенте избытка воздуха (меньше 1,8);

3) Повышение механического коэффициента полезного действия двигателя;

4) Отключением части цилиндров при работе на холостом ходу.

Выключение из работы части цилиндров (или частичное выключение цилиндров: подача топлива через цикл). Тогда выключенные цилиндры «нагружают» оставшиеся в работе. Вследствие реализации этого обстоятельства КПД работающих цилиндров существенно повышается, а в целом повышается и экономичность машины. Широкое внедрение названного мероприятия в практику двигателестроения сдерживается недостаточной проработанностью автоматических устройств для выключения подачи топлива в часть цилиндров (или для подачи топлива в цилиндры через цикл), а также

7

недостаточной изученностью вопросов динамики двигателя в условиях эксплуатации с отключением цилиндров (повышается степень неравномерности вращения коленчатого вала, могут проявиться также отрицательные эффекты насосного действия поршневых колец) [3].

Таким образом, анализ эффективности дизелей показывает, что основными задачами повышения эффективности дизелей, являются повышение мощности и экономичности локомотивных энергетических установок. Применение тех или иных способов повышения эффективности дизелей в известной степени ограничены. Перспективным, но недостаточно разработанным способом повышения технико-экономических показателей дизелей является интенсификация процесса сгорания топлива [11-14].

1.2 Эффективность сжигания топлива в дизелях. Полнота сгорания

топлива

Процессы смесеобразования в дизелях включают в себя распыливание топлива и развитие топливного факела, прогрев, испарение, перегрев топливных паров и смешение их с воздухом.

Смесеобразование начинается практически в момент начала впрыскивания топлива и заканчивается одновременно с концом его сгорания. Развитие и совершенство смесеобразования определяются характеристиками впрыскивания и распыливания, скоростями движения заряда в камере сгорания, свойствами топлива и заряда, формой, размерами и температурой поверхностей камеры сгорания, взаимным направлением движения топливных струй и заряда. Степень влияния отдельных факторов зависит от типа камеры сгорания [15-17].

Объемно-пленочный способ и разделенные формы камер сгорания в локомотивных энергетических установках не используются [18,19].

В связи с концентрационной неоднородностью и гетерогенностью смеси скорость сгорания топлива на различных стадиях процесса горения и в различ-

ных зонах цилиндра лимитируется в основном скоростью какого-либо из трех процессов: испарения, диффузии или химического реагирования. Влияние этих физических и химических процессов на скорость развития цепных реакций можно учесть через концентрацию в зоне горения лимитирующего компонента — паров топлива, кислорода или активных центров. Для этого необходимо определить граничные и дополнительные условия, отражающие специфику различных стадий сгорания топлива в цилиндре дизеля [7,8,12,13,20].

Процесс воспламенения топлива в дизельном двигателе протекает в несколько стадий. В первой стадии в результате цепных реакций образуются перекиси и альдегиды. При достижении критической концентрации перекисей возникает холодное пламя. Распад перекисей приводит к образованию свободных радикалов, способствующих дальнейшему развитию процесса воспламенения. При повышении температуры концентрация свободных радикалов увеличивается, что способствует развитию цепной реакции; при повышении давления концентрация свободных радикалов уменьшается, и процесс замедляется. Увеличение концентрации перекисей продолжается до обогащения смеси. Следовательно, первая стадия процесса воспламенения требует значительного обогащения смеси. Активными продуктами в процессе воспламенения являются также альдегиды, в первую очередь формальдегид и уксусный альдегид. При холоднопламенных процессах выделяется 5—10% тепловой энергии топ л ива[ 15,21,22].

Вторая стадия характеризуется возникновением голубого пламени и сопровождается выделением большого количества тепла. Однако и она не приводит к образованию конечных продуктов окисления углеводородов. В этой стадии образуется большое количество альдегидов как промежуточных продуктов окисления. Процесс окисления топлива завершается в горячем пламени, возникающем после накопления в стадии голубого пламени достаточно большого числа активных центров и соответствующего повышения температуры. Таким образом, задержка воспламенения в дизельном двигателе

обусловлена физическими и химическими процессами подготовки рабочей смеси [8,13,15,20,23].

Воспламеняемость является основной моторной характеристикой дизельных топлив и выражается цетановым числом. Чем выше цетановое число топлива, тем быстрее оно воспламеняется. Воспламеняемость дизельных топлив зависит от их углеводородного состава. Парафиновые углеводороды с прямой цепью обладают малым периодом задержки воспламенения, т. е. воспламеняются относительно легко и имеют высокие цетановые числа. С увеличением числа углеродных атомов в прямой цепи в