CC BY
73Формулы для расчета задержки воспламенения
при работе газодизеля на различных газообразных топливах
Р.З. Кавтарадзе,
профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.
Важнейшая роль, которую играет время задержки воспламенения в обеспечении высокоэффективного рабочего цикла поршневого двигателя, обусловливает необходимость наличия и применения при доводке существующих, а также при создании перспективных двигателей формул для определения времени т задержки воспламенения, позволяющих прогнозировать с достаточной для практики точностью момент начала сгорания (тепловыделения).
Известные до настоящего времени формулы для определения времени задержки воспламенения можно условно разделить на две группы [1]. К первой из них отнесем формулы, основанные на фундаментальных теориях цепных реакций, в частности на уравнении Н.Н. Семенова
Е
Tt = const ■ р~п -eRT , (!)
связывающего задержку воспламенения Ti с давлением p, температурой T и энергией активации E (i? - универсальная газовая постоянная, n - постоянная). В некоторых известных формулах в отличие от (1) вводятся дополнительные коэффициенты, учитывающие специфику рабочего цикла поршневого двигателя, как, например, в формуле H.Hiroyasu и др. [2]. Однако они тоже являются вариациями формулы (1) и, как правило, содержат экспоненциальную функцию. Вторая группа эмпирических формул отличается от (1) не только по структуре (отсутствием экспоненциальной функции) и наличием других специфичных параметров, кроме р и Т, но в некоторых случаях даже отсутствием р и Т. К этой группе можно отнести, например, формулы H.J. Oberg, В.С. Семенова, а также формула N.A. Henein и J. Bolt [1]. Самая распространенная в русскоязычной технической литературе формула А.И. Толстова [3] получена больше чем полвека тому назад, когда давления впрыскивания топлива по сегодняшним понятиям были почти на порядок ниже. Кроме того, эта формула предусматривает задания энергии активации в очень широких пределах Е = 20000 - 25000 Дж/моль (если учесть, что Е входит в экспоненциальную функцию), что осложняет ее применение для современных дизелей, особенно на стадии их проектирования. Обзор этих, а также других, наиболее распространенных в теории поршневых двигателей формул для определения Ti, дается в [1].
Следует подчеркнуть, что все из упомянутых выше формул получены по результатам исследования дизелей,
и не одна из них не соответствует особенностям задержки воспламенения в газодизельном (по другой терминологии - газожидкостном) цикле. Отсутствие формул для расчета времени задержки воспламенения для газообразных топ-лив приводит к тому, что в известных монографических изданиях, посвященных работе дизеля на этих топливах, применяют формулы, полученные для обычных дизелей [4], или ограничиваются обзором некоторых из упомянутых выше формул [5], не имеющих никакого отношения к альтернативным видам моторных топлив. В связи с этим задачей данного исследования было получение удобных для расчета формул задержки воспламенения при работе дизеля на различных газообразных топливах.
Ниже коротко изложен метод исследования и предложены формулы для расчета задержки воспламенения, полученные при впрыскивании запальной дозы дизельного топлива в конце процесса сжатия в газодизеле, использующем в качестве топлива природный газ и различные синтез-газы. Предложены также формулы для расчета задержки воспламенения в обычном дизеле, в том числе и при его работе с рециркуляцией отработавших газов.
Краткое описание экспериментальной установки и метода экспериментального исследования*
На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки с одноцилиндровым отсеком четырехтактного дизеля MAN 24/30. Установка позволяет исследовать рабочий процесс, в частности, задержку воспламенения, при работе двигателя как на жидких, так и на газообразных топливах самого различного вида, а также процесс сгорания обедненной газовоздушной смеси. При этом на природном газе и на различных синтез-газах двигатель работает как газодизель, то есть газовоздушная смесь подается в цилиндр в процессе впуска, затем сжимается, и в конце сжатия через форсунку Common Rail (CR) впрыскивается запальная доза дизельного топлива. Природный газ или синтез-газ подводится во впускной системе через специальный инжектор 3 фирмы «Woodward», там смешивается с воздухом, и эта смесь поступает в цилиндр двигателя.
Горючий газ подводится под давлением, при этом перепад между давлениями горючего газа и наддувочного воздуха не превышает 1,5 бар. В конце процесса сжатия смеси горючего газа и воздуха в целях обеспечения воспламенения в цилиндр подается запальная доза дизельного топлива, для чего двигатель оснащен системой топливоподачи CR. Эта система, в отличие от традиционной, позволяет сво-
Экспериментальные исследованияавтором данной статьи были проведены в институте двигателей внутреннего сгорания Мюнхенского технического университета совместно с доктором К.Цайлингером (К^еШпдег) и доктором Г.Цитцлером [6].
фирмы «Lucas», расположенная в центральной части головки цилиндра. Как видно из табл. 1, система топливоподачи CR обеспечивает впрыскивание минимальной запальной дозы топлива под большим давлением за короткий промежуток времени. Значение цикловой запальной дозы топлива при продолжительности Аф = 4°и давления р =800 бар впрыскивания удалось уменьшить до 34,2 мм3.
Опытный двигатель оснащен также стандартной системой подачи топлива, содержащей серийный ТНВД 12 с кулачковым приводом от распределительного вала и серийную форсунку 11, расположенную на периферийной части головки цилиндра. С помощью этой системы двигатель запускается в обычном дизельном режиме на дизельном топливе, а потом переключается на природный газ, синтез-газ или водород. Важно, что дизельный привод двигателя независим от электронного управления газового привода, что при возможных неполадках в газовом приводе позволяет сохранять контроль над двигателем. Кроме того, возможно одновременное сжигание двух различных топлив, то есть работа в так называемом режиме Dual-Fuel.
Для облегчения запуска двигателя при его работе на природном газе или синтез-газе во впускной системе, недалеко от впускных клапанов, установлена свеча накаливания 4, которая включается за ~30 с до запуска двигателя. За это время в результате электрического нагревания температура горячего штифта свечи достигает 900°С и на него через электромагнитный клапан, приводимый в действие от стартера, подводится небольшая порция дизельного топлива, которая, попадая на раскаленную поверхность, воспламеняется. Для того, чтобы двигатель быстрее вышел на нормальный температурный режим, свеча накаливания
Таблица 1
Технические данные дизеля MAN 24/30 и созданного на его базе газодизеля
Параметры Стандартные (дизель) Измененные (газодизель)
й, мм 240 -
Э, мм 300 -
п, мин-1 900 800
Степень сжатия 13,5 16,75; 15,57. Повышенные значения степени сжатия гарантируют воспламенение газообразных топлив
Давление впрыскивания рвпр, бар 350 800 (для запальной дозы дизельного топлива); 300 (для газообразного водорода)
Продолжительность впрыскивания, Афв„р, град. упкв 20 4 (для запальной дозы дизельного топлива)
Подача жидкого топлива в цилиндр Серийный ТНВД, серийная форсунка 1=4x0,25 Форсунка Common Railz=10 x 0,15 мм; инжектор для водорода: z=6x0,7; z=12x0,5; z=6x0,85; z=4x0,5/4x0,7
Подача газообразного топлива во впускную систему - Газовый инжектор Woodward
Головка цилиндра Четырехклапанная, без закрутки заряда Четырехклапанная, с закруткой (один из впускных клапанов имеет ширму)
Топливо Дизельное топливо Дизельное топливо, природный газ (~96% CH4), водород, два вида синтез-газа: 1) 60% H2+20% CH4+20%N2; 2) 70 %+30%CH4
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования рабочего процесса газодизеля MAN 24/30:
1 - топливный насос высокого давления CR-системы (CR-ТНВД);
2 - гидроаккумулятор CR-системы; 3 - инжектор для подачи горючего газа; 4 - свеча накаливания; 5, 7, 8 - датчики давления; 6 - электрогидравлическая форсунка давления CR-системы; 9, 10 - термопары; 11 - серийная форсунка; 12 - серийный топливный насос высокого давления (ТНВД); 13 - пульт регистрации температуры; 14 - компьютер
бодно регулировать момент и величину цикловой подачи топлива. Ее основные элементы показаны на рис. 1: топливный насос высокого давления CR-системы (CR-ТНВД) 1 фирмы «Bosch», гидроаккумулятор CR 2 c датчиком и регулированием давления, электрогидравлическая форсунка 6
с электромагнитным клапаном работает еще 3 мин после запуска двигателя, продолжая подогрев заряда перед впуском. После запуска двигателя с помощью электронного управления в отдельных циклах (с промежуточными пропусками) начинается подача газообразного топлива, дальше в случае стабилизации работы двигателя частота «газовых циклов» повышается, и двигатель постепенно переходит на газообразное топливо.
Таким образом, при работе двигателя на газообразном топливе имеет место внешнее смесеобразование, так как оно начинается во впускной системе. Далее смесь горючих газов и воздуха сжимается в цилиндре, а в конце сжатия в результате подвода запальной дозы дизельного топлива происходит воспламенение. Здесь следует аккуратно подобрать величину объема между газовым инжектором 3 и камерой сгорания, которая чем больше, тем лучше с точки зрения гомогенизации смеси, однако, может привести и к неприятным последствиям. Дело в том, что после закрытия впускного клапана в этом объеме остается определенное количество горючего газа, который может воспламеняться как во впускной системе, так и в выпускной, попадая туда на горячие поверхности во время продувки (перекрытие клапанов на данном двигателе равно 74°). Необходимо также предусмотреть вентиляцию картера.
Следует подчеркнуть, что экспериментальный двигатель может работать и как водородный дизель. В таком случае система подачи дизельного топлива CR заменяется специально разработанной системой для подачи водорода непосредственно в цилиндр в конце процесса сжатия. Газообразный водород подается непосредственно в цилиндр с помощью специального электрогидравлического инжектора, разработанного фирмой «MAN B&W Diesel AG» и предоставленного для проведения опытов [6]. Водородный инжектор располагается в центральной части головки цилиндра (на месте электрогидравлической CR форсунки 6) и подобно обычной форсунке имеет иглу, которая управляет открытием проходного сечения. Подача газообразного водорода из специальных баллонов к инжектору обеспечивается с помощью мембранного нагнетателя фирм «Linde AG» и «Burton Corblin».
Заметим, что подача водорода в конце такта сжатия устраняет возможность возникновения обратных выбросов и вспышек во впускном коллекторе, а опасность заброса продуктов сгорания в систему подачи водорода можно ликвидировать повышением давления подачи, превышающим максимальное давление в цилиндре. В этих целях, а также для того, чтобы обеспечить постоянный, независимый от давления в цилиндре, расход водорода через сопло, следует на срезе сопла создавать сверхкритический перепад давления. Тогда, пользуясь формулой для
критического истечения
Риг
k+í
с учетом
того, что максимальное давление в цилиндре при работе не превышает рг=150 бар, получим, что водород следует подавать в камеру сгорания под давлением р^> 285 бар (принято, что для водорода к= 1,41). Система питания водородом обеспечивала его подачу в цилиндр под давлением
300 бар. Как известно, концентрационные пределы воспламенения водорода в воздухе составляют 4-75% по объему, а температура самовоспламенения, например, смеси 70% Н2 + 30% воздуха равна 889 К. Очевидно, что для обеспечения короткой задержки воспламенения и стабильного сгорания температура сжатого воздуха в конце сжатия (в момент подачи водорода) должна быть больше температуры самовоспламенения. Так как степень сжатия е=13,5 недостаточна для гарантированного воспламенения, были использованы конструкции поршней, обеспечивающие повышенные степени сжатия (см. табл. 1), при этом форма камеры сгорания (типа Гессельмана) сохранялась.
Установка была оснащена системой наддува с автономным приводом и тремя параллельно включенными осевыми компрессорами. Она, в отличие от турбонад-дува, не связана с газодинамическими процессами во впускной и выпускной системах и позволяет легко обеспечивать желаемые параметры наддувочного воздуха (рк = 0,02-4 бар). Серийный двигатель имеет однофункци-ональные впускные каналы, не обеспечивающие завихрение потока при впуске. В целях исследования влияния вихревого движения воздуха на рабочий процесс часть экспериментов проводилась с использованием клапана с ширмой, вставленного на место одного из двух впускных клапанов. Это позволило повысить интенсивность вихря воздуха от серийного значения Dn= 0,42 до Dn= 1,36.
Индицирование высокого давления осуществлялось охлаждаемым датчиком 7 типа ^1ег 7061, расположенного в головке цилиндра. После обработки сигнала от датчика полученные значения давления для каждого угла поворота коленчатого вала двигателя хранятся в памяти компьютера. В целях исключения случайных отклонений в измерениях регистрировались минимум 50 последовательных циклов, затем измеренные значения усреднялись.
В системе газообмена одноцилиндрового двигателя колебания давления имеют по сравнению с многоцилиндровыми двигателями, как правило, более выразительный характер. Для гашения этих колебаний в системе впуска был включен ресивер большого объема (на схеме не указан). Измерения нестационарных давлений во впускной и выпускной системах проводились соответственно датчиками 5 (^1ег 4075А) и 8 (^1ег 7001А), которые регистрировали нестационарные давления во впускной и выпускной системах одновременно. Кроме того, в целях исследования задержки воспламенения, а также влияния температуры заряда при впуске на эффективные и экологические показатели двигателя в систему впуска был включен теплообменник для охлаждения наддувочного воздуха, позволяющий бесступенчато варьировать температуру заряда при впуске от 20 до 65°С.
Термометрирование гильзы и головки цилиндра производилось с помощью термопар типа К (алюмель-хромель). На гильзе вдоль образующей линии были расположены 12 термопар (глубина заделки - 0,6 мм от зеркальной поверхности), при этом часть из них располагалась в плоскости, проходящей на оси поршневого пальца, а часть - в перпендикулярной плоскости (плоскость действия боковой силы). На тепловоспринимающей поверхности головки также
были вставлены четыре термопары. На рис. 1 указаны только термопары 9 и 10, расположенные перед впускным клапаном и после выпускного клапана соответственно.
Период т. задержки воспламенения в газодизеле определяется, как интервал времени между моментами впрыскивания дизельного топлива и самовоспламенения горючей смеси жидкого и газообразного топлив и воздуха. Точность определения т зависит, прежде всего, от метода и точности определения момента воспламенения. В настоящее время существует несколько методов определения этого момента, которые подробно изложены в [1]. В данной работе использовался метод, основанный на анализе скорости тепловыделения. После индицирования дви-
dQx ч
гателя изменение скорости тепловыделения —i- = f(<p)
dip
в течение рабочего процесса (рис. 2) определяется в результате обработки индикаторной диаграммы. Парообразование сопровождается процессом поглощения теплоты
dQx
d(p
<0, который после воспламенения переходит в
процесс тепловыделения dQx
dQ* d(p
> 0 (рис. 2). Момент
времени, при котором•
d(p
= 0, когда поглощение теплоты
заменяется тепловыделением, принимается моментом начала воспламенения.
В каждой серии опытов был выделен параметр, который менялся в широком диапазоне (насколько это допускало условие эксперимента), и анализировалось его влияние на задержку воспламенения. В качестве таких параметров были приняты: температура воздуха при впуске Тк, момент подачи топлива фвпр, коэффициент избытка воздуха ав, среднее индикаторное давление р., частота вращения КВ двигателя п. В целях повышения достоверности опытных данных и исключения случайных отклонений каждое измерение проводилось как минимум три раза, после чего определялись средние значения зарегистрированных величин. Для получения статистически надежных данных, как уже отмечалось выше, обрабатывались индикаторные диаграммы 50 и более последовательно протекающих рабочих циклов,
Рис. 2. Изменение давления в цилиндре газодизеля MAN 24/30, полученное экспериментально ( — ) и расчетным путем (— ). Температура и скорость тепловыделения получены в результате обработки индикаторной диаграммы ( — ), а также с применением закона Вибе (показатель процесса сгорания m =2,03)
после чего определялась усредненная для данного режима работы двигателя индикаторная диаграмма.
Задержка воспламенения при работе газодизеля
на различных газообразных топливах Синтез-газ 60% Н2 + 20% СН4 + 20% N2. В первой серии экспериментов с помощью теплообменника менялась температура воздуха при впуске 1:к от 30 до 55°С при условии, что pk ^ const. Это позволило соблюдать почти постоянное давление в цилиндре в момент впрыскивания топлива p = (19,74 + 20,65) • бар ^ const. Результаты измерений приведены в табл. 2. График, построенный по результатам измерений, подтверждает линейный характер функции !пт. = f(1/T). Используя значения времени задержки воспламенения для двух режимов, например, 1:к=30°С и 1:к=55°С, получаем уравнение прямой линии
1птг =3076,3171 --0,2688843, откуда следует, что
т,. = 0,764 е
3076 Т
(2)
Таблица 2
Режим Результаты измерения и обработки индикаторной диаграммы Расчет Разница
о о > и ь-* — s Е с ГО \© оТ а" р , бар гвпр' г Фвпр, град. упкв СО к а. С < £ р р,бар 1—" Ф , твоспл' град. упкв Ф,, град. упкв о Е_ Р" о Е_ Р" Г(т. - L V 1ЭЭКС -Т. ): ippac / %
tR=55°C 800 9,12 2,16 800 335 4 20,65 774 352,3 17,33 3,61 3,39 + 6,2
tR=50°C 800 9,06 2,19 800 335 4 20,50 762 353,3 18,33 3,82 3,61 + 5,6
tR=45°C 800 9,04 2,19 800 335 4 20,24 750 355,3 20,33 4,24 3,88 + 8,3
tR=40°C 800 9,03 2,23 800 335 4 20,22 733 356,3 21,33 4,44 4,28 + 3,8
tR=35°C 800 8,87 2,27 800 335 4 19,96 711 358,3 23,33 4,86 4,88 - 0,32
tR=30°C 800 8,43 2,29 800 335 4 19,74 698 361,7 26,67 5,55 5,3 + 4,6
Таблица 3
Режим Результаты измерения и обработки индикаторной диаграммы Расчет Разница
, со ! £ э- а. X s Е EZ ГО \© оТ а" ГО \© Ol CD о. С « ¡5 р, бар 1—" -, твоспл' град. упкв -i, град. упкв о Е Р" О о Е е" Г(1 - L V 1ЭЭКС -х ): tppac / х. 1100 ¡ээкс Л %
330 800 9,42 2,20 800 4 16,95 722 353,3 23,34 4,861 0,068 4,86 + 0,02
335 800 9,37 2,17 800 4 20,26 757 352,0 17,0 3,54 0,061 3,73 - 5,3
339 800 9,33 2,17 800 4 23,38 790 354,0 15,0 3,125 0,0635 3,0 + 4,0
342 800 9,28 2,18 800 4 25,80 807 355,0 13,0 2,71 0,0598 2,67 + 1,4
345 800 9,11 2,16 800 4 28,13 826 357,0 12,0 2,5 0,0605 2,36 +5,5
347 800 9,98 2,17 800 4 29,69 836 357,7 10,67 2,22 0,056 2,217 + 0,14
350 800 8,72 2,18 800 4 31,45 843 361,0 11,0 2,29 0,0595 2,172 + 5,2
Однако эта зависимость была получена для случая, когда давление в цилиндре в момент впрыскивания топлива постоянно р = const, а температура Т = var. Поэтому предэкспоненциальный множитель 0,764 и уравнение в целом справедливы именно при р = const. В случае р = var время задержки воспламенения (2) в общем виде можно
представить так: = Се
3076 Т
(3)
где константа С справедлива для произвольного давления, то есть для р = var, и ее можно определить из следующих соображений. Сравнение последнего выражения с фундаментальным уравнением (1) дает, что C = const • p-n, откуда следует линейная зависимость In С = In (const) - п In р, (4)
с помощью которой и определяется значение С. Для этого из проведенных серий экспериментов были выбраны режимы с фвпр = var, в которых давление в цилиндре в момент впрыскивания изменялось в относительно широких пределах р = (16,95^31,45) бар (табл. 3). Так как значения т. на каждом режиме фвпр=var известны по данным эксперимента, получаем значения константы С 1пС= - 1,6714286 - 0,357 • In р. (5) Последнее выражение дает значение С с хорошей точностью на всех режимах с изменением давления р в цилиндре в момент впрыскивания топлива. Достаточно отметить, что максимальное отклонение AlnC=2,1% от прямой линий получается при позднем впрыскивании топлива фвпр = 350°, когда воспламенение происходит после ВМТ при фвоспл = 361°. Из последнего выражения следует, что const = 0,188 и n = 0,357. Тогда согласно фундаментальному выражению (1) с учетом (5) окончательно получим формулу для расчета задержки воспламенения при работе дизеля на синтез-газе 60% Н2 + 20% СН4 + 20% N2 с применением запальной дозы дизельного топлива
г, = 0,188 -р-°'ъ51е
3076 Т
(6)
Тогда условная энергия активации для реакции горения данного синтез-газа с запальной дозы дизельного топлива равна Е = 3076 • 8,314=25 774 Дж/моль. В табл. 2, 3 занесены расчетные значения т. расч, полученные с помощью форму-
лы (6), а также приведены их относительные отклонения от экспериментальных значений т эксп. Видно, что эти отклонения не превышают 8,3%. Формула (6) была использована также для расчета времени задержки воспламенения на следующих режимах: с изменением суммарного коэффициента избытка воздуха в пределах ав=1,95-3,44, частоты вращения коленчатого вала двигателя п = 700-850 мин-1, среднего индикаторного давления р. = 6,87-12,32 бар. При всех этих опытах определялись также значения т эксп, которые потом сравнивались со значениями, полученными формулой (6). Установлено, что формула (6) дает хорошее согласование с экспериментом (максимальные отклонения в любом случае не превышают 10%), что подтверждает ее практическую пригодность.
Описанный выше метод исследования времени задержки воспламенения без каких-либо принципиальных изменений был применен и для других газообразных топ-лив, в результате были получены формулы для расчета т, приведенные ниже.
Синтез-газ 30% СН4 + 70% Воспламенение здесь также происходит с помощью запальной дозы дизельного топлива, впрыскиваемого в цилиндр в конце процесса сжатия. Полученная формула для времени задержки воспламенения имеет следующий вид:
1640
Т1=тб5-р-1'196ет . (7)
Условная энергия активации в данном случае равна Е = 13 635 Дж/моль.
Природный газ (~ 96% СН4). Формула для времени задержки воспламенения, полученная при применении запальной дозы дизельного топлива, в данном случае имеет вид:
2490
= 1,76- р~°,ше т , (8)
а условная энергия активации равна Е = 20 700 Дж/моль.
Практическая значимость формул (6-8) обусловлена тем, что они не имеют аналогов в научно-технической литературе и могут быть использованы при доводке рабочего процесса дизеля, конвертированного в газодизель. Действительно, известные до настоящего времени формулы для расчета задержки воспламенения были получены для
дизельного процесса и их использование для газодизелей необоснованно. Доказательством этому утверждению служит табл. 4, в которой наряду с экспериментальными данными, полученными на вышеописанной экспериментальной установке для газодизельного процесса (топливо - природный газ), приведены и расчетные значения т., полученные по различным известным формулам (подробный анализ этих, а также других формул для расчета т. приведен в [1]). Необходимость наличия специальных формул при исследовании сгорания в газодизеле различных синтез-газов подчеркивается в работе [7], в которой анализируются формулы (6-8) и отмечается их относительно простая и удобная (для практического использования) форма.
Задержка воспламенения при работе двигателя на дизельном топливе
Эксперименты, проведенные при непосредственном впрыскивании дизельного топлива и работе дизеля в обычном режиме (рис. 1), дают формулу
4400
гг=0,55 -р-^е^. (9)
В случае применения рециркуляции отработавших газов в этой формуле вводится дополнительный эмпирический коэффициент К, значение которого определяется в зависимости от доли рециркуляции. Долю рециркуляции г (ее также называют степенью рециркуляции), как правило, определяют как отношение объемного количества рецир-кулируемых газов к количеству свежего заряда. Тогда (9) принимает вид
4400
гг=0,55 К р-^е^, (10)
где К - 3,2 • г0'09, а доля рециркуляции г задается в процентах. Формула (10) справедлива при г = 5^40%. В качестве р и Т в этой формуле, как и в предыдущих формулах, используются значения давления и температуры в цилиндре в момент впрыскивания топлива, однако, в этой формуле они определяются для цикла без рециркуляции. Работе двигателя без рециркуляции отработавших газов соответствует К = 1. Такая структура формулы (10) позволяет оценить величину периода задержки воспламенения при работе двигателя как без рециркуляции отработавших газов, так и в случае различных ее долей. Кроме того, эта формула может быть использована при моделировании воспламенения в цилиндре дизеля, в частности, для определения местоположения и момента возникновения очага
Рис. 3. Зависимость времени задержки воспламенения от степени
сжатия, вычисленная по различным формулам: Хироясу (•), Фуджимото ( + ), Толстова ( □ ), по формуле (8) ( О ), эксперимент (х). Экспериментальный дизель AVL-520 (pe = 15 бар, n = 3000 мин-1, S/D = 12/12 см/см, pk = 1,5 бар)
самовоспламенения [8, 9], а также при моделировании локальных температур рабочего тела в объеме камеры сгорания [10].
На рис. 3 приводится сопоставление расчетных значений, полученных по формуле (9), а также по другим известным формулам, с экспериментальными данными, полученными для широких диапазонов изменений степени сжатия. Приведенные на рис. 3 экспериментальные значения времени задержки воспламенения были получены на фирме «AVL» по результатам опытного исследования четырехтактного дизеля с непосредственным впрыскиванием. Степень сжатия измерялась путем изменения объема камеры в поршне (рис. 3). Как видно, с уменьшением степени сжатия растет не только отклонение от экспериментальных данных, но и расхождения между результатами, полученными с использованием известных формул. Предложенная выше формула (9) хорошо согласуется с опытами во всем диапазоне изменения степени сжатия.
Таблица 4
Режим Эксперимент Р асчет т,= 1 мс] по различным формулам
Ф =var, твпр ' град. упкв р, бар Т, К мс По формуле (8) Wolfer [1] Sitkei [1] Hiroyasu [2] Anisits [1] Schmidt [1] Spadacini [1] Толстов [3]
325 15,62 690 5.83 6,023 14,16 16,5 36,06 2,09 32,84 149,7 3,12
330 18,96 727 4,375 4,23 7,95 9,66 16,5 1,81 16,61 21,33 2,18
335 22,86 767 3,125 3,01 4,56 5,91 7,8 1,58 8,63 3,28 1,98
340 27,02 786 2,5 2,41 3,23 3,87 5,05 1,45 5,91 1,22 1,32
345 31,31 804 1,875 1,97 2,23 2,89 3,405 1,33 4,19 0,494 0,75
350 35,31 839 1,667 1,565 1,62 2,55 2,03 1,22 2,67 0,134 0,11
Заключение
1. Предложен расчетно-экспериментальный метод исследования задержки воспламенения в газодизеле и дизеле, предусматривающий изменение характерных параметров рабочего процесса двигателя (температура воздуха при впуске, угол опережения впрыскивания дизельного топлива, коэффициент избытка воздуха, среднее индикаторное давление, частота вращения коленчатого вала) в широком диапазоне.
2. На основе фундаментальных зависимостей теории цепных реакции, а также результатов специально поставленных экспериментов впервые предложены формулы для расчета задержки воспламенения природного газа, а также синтез-газов (60% Н2 + 20% СН4 + 20% и (30% СН4+ 70% при их использовании в газодизельном процессе.
3. Предложены формулы для расчета задержки воспламенения дизельного топлива при работе дизеля в обычном режиме, а также при его работе с рециркуляцией отработавших газов.
4. Все предложенные зависимости прошли проверку путем сопоставления с экспериментальными данными, полученными на специальном стенде с дизелем, описанным в данной работе, а также с данными других исследователей. В результате установлена высокая для практики достоверность предложенных формул, что позволяет рекомендовать их для практического использования при конвертировании дизелей в газодизель и при усовершенствовании их рабочего процесса.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 08-08-00348а и № 09-08-00279а).
Литература
1. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. Москва, изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2008. - С. 720.
2. Hiroyasu H., Kadota T., Arai M. Supplementary Comments: Fuel Spray Characterisation in Diesel Engines, in Mattavi J.N. and Amann (eds). Combustion Modeling in Reciprocating Engines. Plenum Press. - 1980. - Р. 369-408.
3. Толстов А.И. Индикаторный период запаздывания воспламенения и динамика цикла быстроходного двигателя с воспламенением от сжатия. - Труды НИЛД «Исследование рабочего процесса и подачи топлива в быстроходных дизелях», № 1, М:, Машгиз, 1955. - С. 5-55.
4. Кудряш А.П., Пашков В.В., Маринин В.С., Москаленко Д.А. Природный газ в двигателях. Киев, Наукова думка, 1990. - С. 200.
5. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. - С. 311.
6. Kavtaradze R.Z., Zeilinger R., Zitzler G. Ignition Delay in a Diesel Engine Utilizing Differenz Fuels. High Temperature. Vol. 43, № 6, 2005. - Р. 951960.
7. Boehman A.L., Le Corre O. Combustion on Syngas in Internal Combustion Engines. - Combustion Science and Technology, № 6 (180). - 2008. - Р. 1193-1206.
8. Скрипник А.А., Фролов С.М., Кавтарадзе Р.З., Эфрос В.В. Моделирование воспламенения в струе жидкого топлива. - РАН. Химическая физика. Том 23, № 1. - 2004. - С. 54-61.
9. Frolov S.M., Scripnik A.A., Kavtaradze R.S. Modeling of Diesel Spray Ignition. Semenov Memorial. Combustion and Atmospheric Pollution. Moscow: Torus Press Ltd. - 2003. - P. 220-227.
10. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях (второе издание). М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - С. 472.
