CC BY
11поршневых компрессоров аммиачных холодильных машин. Для данных целей можно рекомендовать использование сталей (углеродистых, низколегированных, хромистых), чугунов и титановых сплавов, которые, вследствие склонности к переходу в пассивное состояние (состояние, вызванное торможением анодного процесса), обладают достаточно высокой коррозионной стойкостью в жидком и газообразном аммиаке при температурах от -30 до 50°С [4-6]. Кроме того покрытия из этих материалов обладают высокой износостойкостью в условиях работы поверхностей шеек коленчатых валов поршневых машин.
Список литературы
[1] Михайленко Я. И. Курс общей и неорганической химии. - М.: Высш. школа, 1966. - 664 с.
[2] Улиг Г. Г., Реви Р. У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: Пер. с англ./Под ред. А. М. Сухотина. - Л.: Химия, 1989,- 456 с.
[3] Edmunds G., in Symposium on Stress Corrosion Cracking of Metals, ASTM - AIME, Philadelphia, Pa., 1945. - p. 67.
|4] Коррозия и защита химической аппаратуры: Сир. руководство/Под ред. А.М. Сухотина, т. 111. - Л.: Химия, 1970.-308 с.
[5] Тодт Ф. Коррозия и защита от коррозии. - М.: Химия, 1966. - 564 с.
[6] Андреев Ф. А. и др. Технология связанного азота.- М.: Химия, 1966. - 434 с.
CHOICE OF MATERIALS FOR CRANKSHAFT RESTORATION OF PISTON COMPRESSORS IN AMMONIAC REFRIGERATING UNITS
N. U. Volkov
Among details of piston compressors in refrigerating units, liable restoring, the special place occupies a crankshaft. At restoring the given detail on the foreground the selection of materials making a coverage appears materials technology aspect of a problem.
In a paper the interaction of ammonia present in a band of abrasion of a node « crankshaft -bearing bush », with different materials used at restoring of details machines is considered. The recommendations for selection of materials for restoring crankshafts ofpiston compressors in ammoniac refrigerating machineries are given.
УДК 621.43.03.001
В. В. Глебов, к. ф.-м. п., доцент.
Д. С. Керов, аспирант.
А. А. Батялов, к. т. н., доцент ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ СМЕСООБРАЗОВАНИЯ И СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЕ
Рассмотрены модели образования и сгорания рабочей смеси в дизеле. Показано, что наиболее адекватной моделью является зонная модель строения топливной струи. Отмечается разноречивость и недостаточность имеющихся экспериментальных данных, что затрудняет расчетную оптимизацию процесса смесеобразования.
Совершенствование смесеобразования остается одним из основных направлений улучшения показателей рабочего цикла судовых дизелей и заставляет исследователей
вновь и вновь обращаться к изучению этого процесса, несмотря на значительное количество, ранее выполненных работ. Это объясняется, с одной стороны, наличием определенных резервов повышения экономичности за счет совершенствования смесеобразования, а с другой, отсутствием чётких представлений о закономерностях протекания этого процесса [1].
Сгорание топлива в дизеле носит в основном диффузионный характер с наложенным на него в начальной стадии кинетическим горением смеси, подготовленной за период задержки воспламенения. Современные форсированные среднеоборотные дизели характеризуются малыми задержками воспламенения и, как правило, незначительными фазами кинетического сгорания. Преобладающим процессом в них является диффузионное сгорание, в ходе которого выгорает основное количество топлива. В этой связи сокращение продолжительности диффузионного сгорания - основная цель совершенствования смесеобразования в дизелях этого типа, которая достигается как на основе комплексных экспериментальных исследований, так и путем расчетов по оптимизации процесса на основе разного рода моделей.
Наибольшее распространение получили феноменологические модели, позволяющие при относительно небольшой трудоемкости расчетов достаточно полно отразить основные закономерности изучаемых физических процессов и получить необходимую информацию для решения задач оптимизации на современном уровне. Феноменологические модели основаны на сочетании фундаментальной теории, соображений подобия, а также зависимостей, полученных экспериментальным и расчетным пугем.
В настоящее время опубликовано большое количество работ по моделированию, в которых представлены различные подходы к описанию основных стадий смесеобразования: дроблению впрыснутого топлива на капли, развитию топливной струи, закономерностей испарения жидкого топлива и перемешиванию образующихся паров с окружающим воздушным зарядом. Детальные экспериментальные исследования этих процессов дают зачастую весьма разноречивые результаты, что не позволяет выработать единую точку зрения и является причиной различных подходов к моделирона-нию процессов смесеобразования и сгорания топлива.
1 .-
а)
100 -ч * —I
*. // ' и
мм /\> ./V
//Л
50 / //
/'/ / .
3 х
г 63= •
з * *т,мс
Рис. 1. Проникновение паровой и жидкой фазы в струе: а) влияние давления впрыскивания рвпр при температуре и плотности среды Тг = 800-900 К
и рг = 14.3 кг/м3; (---,------,--------,----рвпр =26, 50, 80, 110 МПа;
1 — продолжительность подачи, 2 и 3 — пары и жидкое ядро); б) влияние применяемого топлива при 7'г=б73 К, рг=14,7 кг/м’,
Ьц =0,015 г:---,---------, л-декан;——толуол; 1 и 2 — пары и жидкое ядро
Поэтому представляется целесообразным рассмотреть ряд опубликованных работ для выявления общих представлений часто используемых в расчетных моделях.
В соответствии с этими моделями, впрыснутое топливо представляет собой струю, состоящую из значительного количества капель диаметром от 10 до 100 мкм. Струя распространяется по камере сгорания от сопла распылителя с монотонно уменьшающейся скоростью при ее начальном значении (на срезе сопла), достигающем 250-280 м/с. Пространство между каплями заполнено воздухом и парами топлива и составляет 90-95% объема струи. Распад на капли происходит не сразу по выходе топлива из распылителя, а существует «столб» жидкости определённой длины, достигающий по некоторым данным 20...30 диаметров сопла [2-4].
В ряде исследований на основе опытных данных и расчетов принимается, что движущиеся с относительно высокой скоростью в горячем воздухе капли быстро испаряются (время испарения порядка 10'4 с). Вследствие этого на определенном расстоянии от сопла жидкой фазы уже не существует, а струя состоит из продвигающихся вперед паров топлива (рис. 1) [5,6]. Подсосанный внутрь струи воздух увлекается в направлении развития струи и, приобретя определенный импульс энергии, способствует в дальнейшем продвижению вперед паров топлива [1,5].
Принципиальная особенность большинства моделей образования топливовоздушной смеси - концепция о преобладающей роли в этом процессе перемешивания паров топлива с окружающим воздушным зарядом. Подробные расчеты процесса испарения [1,6] показывают, что только в случае аномального замедления оно начинает ограничивать смесеобразование наряду с перемешиванием. При нормальном течении процессов ускорение испарения само по себе не вызывает изменения топливовоздушного отношения в смеси. В литературе приводится значительное количество экспериментальных и аналитических подтверждений такого подхода [2, 7].
Методы расчета процесса смешения базируются на классической теории турбулентных струй. Топливная струя рассматривается как свободная до встречи со стенкой и как ограниченная твердой поверхностью после соударения. Воздействие завихрения, если оно имеется, выражается в изменении скорости и траектории движения вершины струи, деформации ее поперечных сечений и профилей радиальных концентраций [1- 3, 6].
Фундаментальные зависимости, разработанные в теории турбулентных струй, не позволяют адекватно описать геометрию нестационарной дизельной струи с переменной плотностью. Глубина и скорость проникновения струи, а также угол её раскрытия 0 определяются по эмпирическим зависимостям, полученным на основе обобщения имеющихся экспериментальных данных с учётом влияния плотности среды, давления впрыскивания, диаметра сопла распылителя и отношения диаметра сопла к его длине. Аналогично определяются и задаются в расчетах скорость распространения и толщина пристеночного парогазового слоя, образующегося при взаимодействии струи со стенкой камеры сгорания [1,3].
Изменение концентрации топлива в осевом и радиальных сечениях струи, а также по радиусам и толщине (высоте) пристеночного слоя задается по зависимостям, разработанным для стационарных свободных и пристеночных турбулентных струй. Не-стационарность в этом случае моделируется эмпирическими коэффициентами. Считается, что это дает возможность описать с достаточным приближением как свободную струю, так и пристеночный слой [1,5,7].
Результаты расчетов показывают, что относительная концентрация жидкого топлива в струе (в зоне существования жидкой фазы) спадает от максимального значения в месте распада «столба» жидкости как в осевом, так и в радиальном направлениях. Концентрация паров топлива в зоне существования жидкой фазы в осевом направле-
нии монотонно возрастает до конца этой зоны, а в радиальных сечениях при удалении от оси вначале возрастает, а затем, достигнув максимума, снижается (рис. 2, а). В зоне, где существует только паровая фаза, концентрация паров монотонно снижается как в осевом, так и в радиальном направлении [1, 2, 5]. Изменение концентрации паров в пристеночном слое в любом радиальном направлении от места соударения аналогично изменению концентрации по оси свободной струи. По высоте слоя на различных удалениях от места соударения относительная концентрация изменяется аналогично ее изменению по поперечным сечениям свободной струи на различных удалениях от сопла (рис. 2, б) [1, 2,7].
Рис. 2. Распределение концентраций жидкого топлива и паров в струе и пристеночном слое:
Спж, Срж - относительная осевая и радиальная концентрации жидкого топлива в струе;
Соп , СрП - паров топлива в струе; Сос, С^ - топлива в пристеночном слое;
Хс - длина свободной струи до соударения со стенкой: 1 и 2 - жидкое ядро топлива
Подсос воздуха рассчитывается на основе уравнений сохранения массы и импульса в системе струя — воздушный заряд [1,4]. В более ранних работах для расчета скорости подсоса воздуха используются эмпирические уравнения.
На основе данных по геометрии свободной струи и пристеночного слоя, количества воздуха, диффундирующего в объемы струи и слоя, а также характеристик распределения концентраций рассчитывается количество смеси, подготовленной к сгоранию, т е. имеющей определенное соотношение между топливом и воздухом.
Смесеобразование после окончания топливоподачи рассчитывается по скорости рассеивания турбулентной кинетической энергии, накопленной в системе. Интенсивность рассеивания определяет время и скорость перемешивания воздуха и топлива в этот период. Величина турбулентной энергии учитывает все ее источники, имеющиеся в цилиндре (движение воздуха, потери из-за вязкости, кинетическая энергия впрыснутого топлива, выделение тепла при сгорании) [2,4].
Воспламенение топлива, как показали многократные исследования, возникает в средней части топливной струи в зоне ее оболочки, где в первую очередь достигается благоприятное соотношение между топливом и воздухом. Положение очага воспламенения зависит от параметров, определяющих динамику развития топливной струи, и величины задержки воспламенения. От первых очагов сгорание распространяется по наружной оболочке струи по направлению к ев вершине и по направлению к соплу распылителя. В момент охвата горением всей наружной оболочки топливной струи заканчивается быстрое (кинетическое) сгорание и происходит спад в скорости выделения тепла (рис. 3) [2, 4, 6]. Большинство опытов по изучению геометрии струи выполняются в «холодных» условиях при моделировании заряда по плотности. Оценка правомерности такого подхода на основе сравнительных опытов при высокой и атмосферной температурах выявляет существенное расхождение полученных результатов как в отношении скорости продвижения струн, так и в отношении угла её раскрытия.
Рис. 3. Связь распространения сгорания по топливной струе с характеристикой скорости выделения тепла при Рг = 5,0 МПа; Тг = 736 К; і!с = 0,29 мм; Ьц = 0,12 г; х, хпл - проникновение вершины топливной струи и распространение пламени по струе, dQ/dr- скорость выделения тепла; А и В - кинетическое (быстрое)
и диффузионное сгорание
Опыты показывают или различное замедление испаряющейся струи по сравнению с «холодной» (от 6 до 12%) [3, 5], или практически идентичную скорость их распространения [], 3]. Угол раскрытия струи по данным исследований, проведенных при различных температурах заряда, также изменяется самым различным образом [1,2,5].
В целом можно констатировать отсутствие однозначной корреляции между результатами, полученными при различных температурах. Это свидетельствует о необ-*• ходимости для достижения требуемой достоверности проводить эксперименты в ус-
ловиях по возможности адекватных действительным, т. е. при температурах, имеющих место в камере сгорания реального двигателя.
Однако, как показано в работе [7], наиболее адекватной моделью является зонная модель дизельной струи. В её пользу свидетельствуют следующие экспериментальные факты:
1. Вне зависимости от температуры газа структура струи в дизеле включает в себя: ядро - центральную оптически непрозрачную область с большой плотностью топливных частиц, движущихся с максимальной скоростью; мантию - внешнюю оболочку, наполненную мелкими топливными частицами с малой концентрацией, и зону превращений во фронте струи, имеющей некоторую глубину. Таким образом, метод расчета, разработанный для топлива, впрыскиваемого в «холодную» среду, справедлив и для струи, распространяющейся в нагретом газе.
2. Температура воздушного заряда в дизельном цикле практически не влияет на процессы в ядре дизельной струи, что не может быть объяснено иначе, как трассовым движением частиц за «лидером», сопровождаемым спутным потоком газа без обмена теплотой, массой и количеством движения.
3. С ростом температуры поперечные размеры струи (Гф, гя) несколько сокращаются и притом строго пропорционально между струёй и ее ядром. Этот факт не противоречит зонно-трассовой концепции дизельной струи, так как при РГ = const пропорционально увеличивается давление среды, что уменьшает перепад давления на впрыскивании Рвпр, влияющее при прочих равных условиях на распыление (разброс частиц в стороны). Однако этот результат требует дополнительного целенаправленного изучения.
Полученные экспериментальные результаты фактически доказывают справедливость зонно-трассовой структуры дизельной струи, что позволяет перейти к построению практического метода расчета смесеобразования в дизеле по начальным условиям впрыскивания.
Кроме условий проведения экспериментов, причиной различий в экспериментальных результатах является также различие методов и средств, применяемых при выполнении исследований Опыт показывает, что наиболее полная информация возможна при использовании специальных методов, таких как лазерная голография и лазерная интерферометрия. В отличие от непосредственной съемки эти методы регистрирующие градиенты плотности, позволяют более точно определить границы внешнего контура испаряющейся струи и обеспечивают большую достоверность определения скорости вершины струи и угла её раскрытия.
Разноречивость и недостаточность имеющихся данных ограничивают возможности проведения расчетной оптимизации процесса смесеобразования с использованием разработанных моделей и затрудняют целенаправленный выбор параметров топливопода-чи. Задача дальнейших исследований - получение экспериментальных данных, достоверно отражающих закономерности развития дизельной топливной струи и создание на их основе зависимостей дм успешного применения расчетных моделей. При этом особое внимание должно быть обращено на обеспечение условий эксперимента, наиболее приближенных к реальным, и использование средств и методов, обеспечивающих точную регистрацию исследуемых параметров.
Список литературы
11] Завлин М.Я. Современное состояние и задачи дальнейших исследований смесеобразования в дизеле. // Двигателестроение. - №5. - 1991. - С. 52-56.
[2] Свиридов Ю.Б., Малявинский Л.В., Вихерт М.М. Топливо и топливоподача автотракторных дизелей. - Л.: Машиностроение, 1979. — 183 с.
[3] Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. - Харьков: Высшая школа, 1980. - 169 с.
[4] Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. - Л.: Машиностроение, 1972. -224 с.
[5] Ищук Ю.Г. Топливо и полнота его сгорания в судовых дизелях. - Л.: Судостроение, 1985. - 117 с.
[6] Ищук Ю.Г. Интенсификация процесса сгорания топлива в судовых дизелях. - Л.: Судостроение, 1987. - 54 с.
[7] Свиридов Ю.Б., Кобзев А.И., Кукушкин В.Л., Романов С.А. Базовый эксперимент по природе дизельной струи//Двигателестроен ие. - № 1-3. - 1992. - С. 3-7.
ANALYSIS OF MODELS FUEL INJECTION AND COMBUSTION
OF FUEL IN DIESEL V. V. Glebov, D. S. Kerov, A. A Batyaiov
The models offormation and combustion of fuel-air charge in a diesel engine are surveyed.
Is shown, that the most adequate model is the zonal model of a structure of a fuel jet. It is scored inconsistency and insufficiency of available experimental data, that hampers calculated optimization ofprocess fuel injection.
УДК 621.436: 621.793
С. Ю, Ефремов, старший преподаватель, В Г4ВТ,
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
СТОЙКОСТЬ К СХВАТЫВАНИЮ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССИОННЫХ КОЛЕЦ ^ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
В работе ксследошна стойкость к схватыванию материалов и покрытий поршневых компрессионных колец судовых среднеоборотных дизелей. Показано, что наибольшей стойкостью к схватыванию обладают материалы, нанесенные методом электроду-говой металлизации, что объясняется наличием оксидных прослоек между частицами порошка и гетерогенной структурой псевдосплава.
На трущихся поверхностях втулок цилиндров и поршневых колец протекают сложные процессы как разрушения (механического, абразивного, адгезионного, водородного и усталостного изнашивания; явления химической, электрохимической и газовой коррозии), так и самоорганизации (взаимного массопереноса, образования защитных пассивирующих и сервовитных пленок). Интенсивность протекающих процессов разрушения трибосопряжения весьма велика и преобладает над процессами самоорганизации, что обусловлено экстремальными условиями работы пары трения цилиндровая втулка - поршневое кольцо (высокие температуры, значительная механическая напряженность, воздействие агрессивной среды, масляное голодание, реверсивность трения и т.д.).
Воздействие указанных факторов в большей степени проявляется в зонах минимальных скоростей скольжения, особенно вблизи в.м.т. Высокие удельные нагрузки в зоне контакта сопряженных поверхностей, резкое увеличение температуры микроконтакта, возникающее вследствие этого разрушение пассивирующих, оксидных и масляных пленок приводит к адгезионному взаимодействию контактирующих поверхностей.
Образование металлургических (адгезионных) связей происходит при одновременном увеличении площади микроконтактов в результате сдвиговой деформации.
