Научная статья на тему 'Надежность дизельных двигателей внутреннего сгорания в условиях Крайнего Севера'

Надежность дизельных двигателей внутреннего сгорания в условиях Крайнего Севера Текст научной статьи по специальности «Машиностроение»

CC BY
282
53
Поделиться
Ключевые слова
ДИЗЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ / ЗАДЕРЖКА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА / НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ / НАДЕЖНОСТЬ / DIESEL INTERNAL-COMBUSTION ENGINES / DELAY OF FUEL IGNITION / LOW TEMPERATURES / RELIABILITY

Аннотация научной статьи по машиностроению, автор научной работы — Гуляев В.П., Александров Н.П., Климов С.М.

Практика восстановления работоспособности дизель-ныхдвигателей семейства КамАЗ и ЯМЗ, соответствующих требованиям норм Евро 2 и 3, свидетельствует о высокой частоте отказов деталей цилиндро-поршневой группы. В работе приведён обзор теоретических и экспериментальных исследований с целью установления причин, снижающих надёжность эксплуатации дизельных двигателей с системами промежуточного охлаждения наддувочного воздуха. Интенсивная эксплуатация дизельных двигателей автомобилей в Республике Саха (Якутия) в зимний период года при температурах окружающего воздуха от -45 до -65 °С осуществляется преимущественно непрерывно в течение 50-60 суток. При этом около 12 часов в сутки они работают на холостом ходу. Эксплуатация двигателя с охлаждением наддувочного воздуха на режимах холостого хода и при малых нагрузках негативно влияет на условия протекания рабочего процесса. Один из ключевых параметров, характеризующих рабочий процесс дизельных двигателей с газотурбинным наддувом период задержки воспламенения топлива. Поэтому для повышения их надёжности при эксплуатации в различных климатических условиях необходимо изучение влияющих на них физических ихимических процессов, о которых сегодня нет единого мнения. Для повышения надёжности дизельных двигателей с охлаждением наддувочного воздуха, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера и Арктической зоны страны, требуется ускоренное проведение комплекса сложных экспериментальных работ с учётом всех существенных факторов, определяющих задержку воспламенения топлива, с применением уже существующих и созданием новых методик исследования. Изучение разных фаз воспламенения топлива в зависимости от температуры надувочного воздуха может способствовать разработке новых принципов конструирования теплообменных систем, регулирующих глубину охлаждения надувочного воздуха, что повысит эксплуатационную надежность двигателя.

Похожие темы научных работ по машиностроению , автор научной работы — Гуляев В.П., Александров Н.П., Климов С.М.,

Reliability of Diesel Internal-Combustion Engines under Conditions of the Extreme North

An experience in restoration of the functionality of diesel engines of KamAZ and YaMZ series, corresponding to the requirements of the standards Euro 2 and Euro 3, revealed a high failure density of the details of the cylinder-piston section. This paper provides an overview of theoretical and experimental investigations carried out in order to reveal the causes of the reduction of operation reliability of diesel engines with an intermediate cooling system. An intensive use of diesel engines of vehicles in the Sakha (Yakutia) Republic during the winter period, when ambient temperatures are from minus 45 to minus 65 degrees is mainly carried out continuously for 50-60 days. In this case, the engine can operate in the idle mode for about 12 hours. The operation of the engine with the cooling in the idle mode and with low loads negatively affects the conditions of the operation process. The delay period of the ignition of the fuel is a key parameter that characterizes the operation of diesel engines equipped with a turbocharger. Therefore, the improving of the reliability of diesel engines operating in different climatic conditions requires the study of physical and chemical processes of the fuel ignition delay. Today, there is no a common opinion on this problem. The increase in the operational reliability of diesel engines with the blowing air cooling, working under conditions of the Extreme North and the Arctic zone of the country, requires the accelerating complex of experimental researches taking into account all significant factors influencing the delay period of the ignition of the fuel. There is a need in using of existing research methods, as well as the creation of new methods. The study of the different phases of fuel ignition depending on the temperature of boost air may contribute to the development of new principles of design of heat exchanging systems, regulating the degree of cooling of boost air, which increase the operational reliability of the engine.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Надежность дизельных двигателей внутреннего сгорания в условиях Крайнего Севера»

УДК 621.43.05

НАДЕЖНОСТЬ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

B.П. ГУЛЯЕВ, доктор технических наук, профессор (e-mail: uekztddg@mail.ru)

Н.П. АЛЕКСАНДРОВ, кандидат технических наук, доцент

C.М. КЛИМОВ, старший преподаватель

Якутская государственная сельскохозяйственная

академия, ул. Красильникова, 15, Якутск, 677007, Российская Федерация

Резюме. Практика восстановления работоспособности дизель-ныхдвигателей семейства КамАЗ и ЯМЗ, соответствующих требованиям норм Евро 2 и 3, свидетельствует о высокой частоте отказов деталей цилиндро-поршневой группы. В работе приведён обзор теоретических и экспериментальных исследований с целью установления причин, снижающих надёжность эксплуатации дизельных двигателей с системами промежуточного охлаждения наддувочного воздуха. Интенсивная эксплуатация дизельных двигателей автомобилей в Республике Саха (Якутия) в зимний период года при температурах окружающего воздуха от -45 до -65 °С осуществляется преимущественно непрерывно в течение 50-60 суток. При этом около 12 часов в сутки они работают на холостом ходу. Эксплуатация двигателя с охлаждением наддувочного воздуха на режимах холостого хода и при малых нагрузках негативно влияет на условия протекания рабочего процесса. Один из ключевых параметров, характеризующих рабочий процесс дизельных двигателей с газотурбинным наддувом - период задержки воспламенения топлива. Поэтому для повышения их надёжности при эксплуатации в различных климатических условиях необходимо изучение влияющих на них физических ихимических процессов, о которых сегодня нет единого мнения. Для повышения надёжности дизельных двигателей с охлаждением наддувочного воздуха, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера и Арктической зоны страны, требуется ускоренное проведение комплекса сложных экспериментальных работ с учётом всех существенных факторов, определяющих задержку воспламенения топлива, с применением уже существующих и созданием новых методик исследования. Изучение разных фаз воспламенения топлива в зависимости от температуры надувочного воздуха может способствовать разработке новых принципов конструирования теплообменных систем, регулирующих глубину охлаждения надувочного воздуха, что повысит эксплуатационную надежность двигателя. Ключевые слова: дизельные двигатели внутреннего сгорания, задержка воспламенения топлива, низкие температуры, надежность.

Для цитирования: ГуляевВ.П., АлександровН.П., Климов С.М. Надежность дизельных двигателей внутреннего сгорания в условиях Крайнего Севера //Достижения науки и техники АПК. 2016. Т.30. №11. С. 113-117.

Проблемы безотказной работы двигателей внутреннего сгорания имеют особую актуальность для регионов с низкими температурами окружающей среды. Известно, что в соответствии с действующим в стране четвёртым экологическим классом (Евро 4), правило ЕЭК ООН № 96-02 распространяется на дизельные двигатели, предназначенные для установки на автомобильную технику, самоходные и внедорожные машины. На сегодняшний день, в связи со вступлением в силу технического регламента Таможенного союза «О безопасности колёсных транспортных средств», осуществляется переход на сертификацию двигателей по пятому экологическому классу (Евро 5) в соответствии с правилами ООН № 49-05В2(С)0 и 24-03.

Действующие экологические требования к современным дизельным двигателям направляют усилия разработчиков на дальнейшее совершенствование их конструкции, в первую очередь, систем турбонаддува и охлаждения

наддувочного воздуха. Системы наддува оснащают направляющими аппаратами с изменяемой геометрией, для непосредственного впрыска топлива при давлении до 135 МПа используют пьезокерамические приводы форсунок, бортовые компьютерные системы обеспечивают изменение дозы и фазы впрыска топлива (системы «столбикового» типа, Common Rail и др.). Дальнейшее развитие информационных и компьютерных технологий микропроцессорного управления ДВС должно обеспечивать улучшение экологических и экономических характеристик благодаря высокому уровню индивидуальной оптимизации рабочих процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя. На повестке дня - разработка двигателей с изменяемым рабочим процессом (ДИРП), адаптивных (интеллектуальных) силовых установок, которые будут развивать необходимые рабочие характеристики в широком диапазоне режимов их эксплуатации при оптимальном расходе топлива и качестве переходных процессов.

Эксплуатация высокофорсированных дизельных двигателей в специфических природно-климатических условиях характеризуется непрерывным функционированием всех систем в течение продолжительного зимнего периода. Такие экстремально тяжёлые условия приводят к резкому снижению фактического пробега автомобилей до капитального ремонта двигателя с системами турбонаддува и охлаждения воздуха, в пределах 80-120 тыс. км. Вместе с тем, эксплуатация грузовых автомобилей в Республике Саха (Якутия) сопряжена с высокими затратами на ремонт, отсутствием развитых наземных коммуникаций, слабой сетью сервисных центров.

Поэтому практический опыт эксплуатации современных дизельных двигателей с турбонаддувом в условиях Крайнего Севера и арктических регионов страны показывает, что назрела острая необходимость в разработке практических рекомендаций по повышению их надёжности и экономичности [1-3].

Цель наших исследований - определение характера и степени влияния процессов турбонаддува и охлаждения воздуха на изменение периодазадержки воспламенения топлива - одного из главных параметров рабочего процесса, определяющего эксплуатационную надёжность дизельных двигателей, на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований отечественных и зарубежных учёных по изучению работоспособности дизельных двигателей с турбонаддувом и охлаждением воздуха при температурах окружающего атмосферного воздуха от +20 до -70 °С.

Условия, материалы и методы. На сегодняшний день подвижной состав грузового автотранспорта Республики Саха (Якутия), насчитывающий более 50 тыс. единиц, большей частью автомобилей с дизельными двигателями, обеспечивает перевозку 31-33 млн т грузов в год. Сейчас он интенсивно обновляется и пополняется автомобилями, соответствующими нормам Евро 3. Парк такого грузового автотранспорта насчитывает, по оценкам авторов, более 9 тыс. единиц, эксплуатируемых на восточных и северных направлениях республики.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Зимние перевозки грузов в Республике Саха (Якутия) осуществляются при температуре окружающего воздуха от -45 до -65 °С в течение 50-60 суток. В этот период двигатели автомобилей работают непрерывно, даже во время отдыха водителей на открытых стоянках.

Продолжительность среднесуточной работы двигателя на холостом ходу при низких температурах составляет до 12 ч (рис. 1).

Т, час

16

•С

/

1 \ / / у

У 2 / \

\ \

\

20

-20

-40

-60

6 7 месяц

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

10 11 12

Рис. 1. Средняя температура месяца (1) и среднесуточная длительность работы дизельного двигателя на режиме холостого года по месяцам года (2).

Материал, положенный в основу нашей работы, был накоплен путём непосредственного обслуживания и ремонта дизельных и автомобильных двигателей грузовых автомобилей, эксплуатируемых на промышленных предприятиях, осуществляющих транспортные перевозки грузов по автозимникам Республики Саха (Якутия) с 1982 по 2016 гг.

Также в работе использовали методические положения по систематизации и анализу работоспособности машин и материалов, разработанные в Институте физико-технических проблем Севера СО РАН в ходе выполнения комплексных научных исследований в интересах ряда отраслей экономики.

Под наблюдением одного из авторов работы, изучавшего в течение 31 года техническое состояние двигателей автомобилей, эксплуатируемых крупными промышленными предприятиями Северо-Востока Республики Саха (Якутия), находилось более 300 бензиновых и около 250 дизельных двигателей. В последние годы на ремонтных предприятиях обслуживают и ремонтируют дизельные двигатели, соответствующие нормам Евро 2 и 3. В сфере периодического наблюдения автора, начиная с 2011 г., находится 12 отремонтированных дизельных двигателей с измененными системами воздухоснабжения.

Результаты и обсуждение. В последние годы повышение качества моторного масла и его очистки в системе смазки уменьшило износ коленчатого вала, рабочей поверхности гильз цилиндров и других сопрягаемых деталей двигателя. Но, у двигателей, отвечающих требованиям Евро 2 и 3, оснащенных системой промежуточного охлаждения наддувочного воздуха, возросла частота таких неисправностей, как поломки коленчатых валов, износ втулок верхней головки шатуна, поршневых колец и поршневых канавок, в том числе с разрушением перегородок.

Повышение мощности двигателей внутреннего сгорания без изменения их геометрических размеров обеспечивают подача и сжигание в камере сгорания возрастающих порций топлива и воздуха. Путём увеличения количества топлива в отдельной впрыскиваемой порции можно достичь улучшения рабочих характеристик топливных насосов, однако для полного его сгорания необходимо определенное количество кислорода (воздуха).

Оно зависит от рабочего объёма цилиндров двигателя, частоты вращения коленчатого вала и плотности поступающего воздушного заряда. Использование системы газотурбинного наддува позволяет улучшить эксплуатационные характеристики транспортных средств, мобильных и стационарных энергетических установок без значительных изменений их геометрических размеров и массы. Однако сжатие атмосферного воздуха в компрессоре двигателя внутреннего сгорания сопровождается, в соответствии с законами термодинамики, ростом температуры наддувочного воздуха, направляемого в камеру сгорания. Согласно результатам ряда исследований [4, 5], в системе наддува двигателя происходит сжатие воздуха по политропе с показателем пн и рост температуры в соответствии со следующей формулой:

л„-1

<" V

Ас

тк=т0

где Тк - температура наддувочного воздуха на выходе из компрессора, К; Т0 - температура окружающего воздуха, К; рк - давление наддувочного воздуха, Па; р0 -давление окружающего воздуха, Па.

Плотность наддувочного воздуха рк будет снижаться согласно зависимости:

Р*

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

«7;

где Я - индивидуальная газовая постоянная воздуха, Дж/кг К.

Приведенные закономерности, связывающие температуру и давление наддувочного воздуха, принципиально отражаются на характере рабочего процесса в цилиндрах дизеля и его надежности. Авторы ряда работ, указывая на известные достоинства газотурбинного наддува как способа повышения мощности и экономичности поршневых двигателей внутреннего сгорания, отмечают определенные недостатки, связанные с меньшими темпами прироста энергии, по сравнению с ростом давления наддува [4, 5]. Фактический опыт эксплуатации дизельных двигателей с турбонаддувом и охлаждением (предохлаждением) наддувочного воздуха в условиях низких температур окружающей среды также свидетельствует о наличии ряда конструктивных недостатков, значительно снижающих их надежность и, как отмечают специалисты [6-10], обусловливающих необходимость совершенствования таких двигателей.

Обобщенные результаты исследования влияния температуры наддувочного воздуха на рабочие параметры дизелей с газотурбинным наддувом свидетельствуют о том, что ее повышение при сжатии воздуха турбокомпрессором на каждые 10 °С уменьшает массу воздушного заряда на 3,0-3,5 % и вызывает незначительный рост расхода топлива [12, 13]. Температура деталей камеры сгорания (межклапанная перемычка, верхняя часть цилиндров и поршней) повышается на 17-30 %, средняя рабочая температура поршней - на 9-10 %. Вызванные газотурбинным наддувом термодинамические эффекты влияют на течение рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания [14]. Достижение устойчивого прироста энергии рабочего процесса в таких двигателях пропорционально повышению давления воздушного заряда, возможно путём снижения температуры наддувочного воздуха, поступающего в камеру сгорания.

Анализ экспериментальных и расчетно-теоретических данных по изучению влияния температуры наддувочного воздуха Тк на характеристики рабочего цикла автотракторных дизельных двигателей, как правило, проводится

14

0

0

3

4

5

8

9

по результатам исследований, полученных при стендовых испытаниях двигателей с воздушным охлаждением. Так, приведенные в работе [10] сведения, указывают на значительное влияние температуры наддувочного воздуха Тк на основные параметры рабочего цикла двигателя. При её снижении на выходе из компрессора до 40 °С наблюдается повышение плотности воздушного заряда, а коэффициент избытка воздуха а повышается более чем на 23 %. Кроме того, снижение температуры воздушного заряда вызывает заметное уменьшение условной продолжительности сгорания топлива фz на 22 % при незначительном повышении коэффициента эффективности сгорания и сокращении часового и индикаторного расхода топлива.

Вместе с тем повышение плотности воздушного заряда, подаваемого в цилиндры двигателя, приводит к увеличению продолжительности задержки воспламенения т, а также к росту доли топлива, выгорающего в начальный период (период «взрывного» сгорания) [14, 15]. Задержка самовоспламенения, проявляющаяся на индикаторных диаграммах при снижении температуры воздушного заряда на выходе из компрессора Тк (в отличие от характера изменения параметров при росте давления), становится причиной увеличения количества топлива, подготовленного к сгоранию и повышения интенсивности тепловыделения в начале этого процесса. Но, в целом по рабочему циклу, результирующая температура и теплоотдача от газов на стенки внутрицилин-дрового пространства снижают общий температурный уровень деталей, непосредственно контактирующих с горячими газами.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Установлено, что снижение температуры воздушного заряда на выходе из компрессора Тк эффективно уменьшает теплонапряженность деталей цилиндропоршневой группы [16, 17]. Однако конечная экономичность и надёжность эксплуатации дизельных двигателей продолжает оставаться под вопросом, так как применение специальных охладителей наддувочного воздуха приводит к росту теплоотдачи в системы охлаждения и увеличению удельных затрат [10]. В частности, Нефедов В.И. рекомендует для уменьшения теплонапряженности деталей цилиндропоршневой группы предусматривать технические решения, обеспечивающие повышение коэффициента избытка воздуха а, а также рациональный выбор давления рк и температуры Тк наддувочного воздуха. Результаты работ [10, 11] свидетельствуют о необходимости дальнейшего изучения вопроса о целесообразной глубине охлаждения воздушного заряда на выходе из компрессора, так как не в полной мере установлены термодинамические зависимости, связывающие параметры рабочего цикла двигателя при расширении диапазона температур охлаждения. Применительно к дизельным двигателям воздушного охлаждения экспериментально показано падение эффективности рабочего цикла при охлаждении наддувочного воздуха ниже 60 °С [10].

Специалисты отмечают высокую актуальность исследования влияния температуры свежего заряда воздуха для разных режимов эксплуатации двигателя и характеристик окружающей среды. Известно, что при больших нагрузках, температура воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, может доходить до 220 °С. В результате этого плотность свежего заряда понижается, резко уменьшается эффективность теплоиспользования, падает мощность и ухудшается экономичность двигателя [5].

Особое значение изучение указанных проблем приобретает для комбинированных двигателей, эксплуатируемых в арктических районах на режимах малых нагрузок

и холостого хода. В этих случаях сильно изменяются условия протекания рабочего процесса, проявляется нестабильность топливоподачи в последовательно протекающих циклах, ухудшается распыл топлива, снижается температура рабочего тела в цилиндре и поверхностей деталей, образующих внутрицилиндровое пространство [5, 6].

Один из ключевых параметров рабочих процессов, определяющих надёжность и экономичность дизельных двигателей с газотурбинным наддувом, - период задержки воспламенения т (ф;) [10, 14]. Он начинается с момента поступления в цилиндр первой порции топлива (точка F на рис. 2) и завершается началом повышения давления при воспламенении топлива (точка D) [7, 15]. Именно в этот период времени (в секундах т или в градусах угла поворота коленчатого вала ф;) протекают физико-химические процессы подготовки топлива к сгоранию, по окончании которых начинается горение.

Рис. 2. Диаграмма цикла в координатах «давление p - угол поворота коленчатого вала ф» (условные обозначения даны в тексте статьи по [15]).

На рис. 2 точка C индикаторной диаграммы обозначает давление в цилиндре при достижении поршнем верхней мертвой точки (ВМТ), точка Z - максимальное давление цикла. Известно, что величины углов ф; и фа(1 (длительности физико-химических реакций подготовки и начала горения) играют важную роль в процессе сгорания. При слишком больших углах ф; и фа(1, которые означают большую длительность начала процесса, градиент максимального давления становится чрезмерно высоким, создается большое противодавление ходу поршня к ВМТ (линия DC), двигатель перегружается газовыми силами и перегревается, а его мощность и экономичность не достигают оптимальных значений, наблюдаются вредные эффекты детонации. В ходе экспериментальных лабораторных исследований оптимальные углы или длительности периодов устанавливают по регулировочным характеристикам, а значение угла ф; определяют по индикаторной диаграмме, которая индивидуальна для каждого типа поршневого двигателя и режима его работы.

Опыт эксплуатации дизельных двигателей с газодинамическим наддувом и результаты научных исследований свидетельствуют о необходимости определения наиболее приемлемых зависимостей т (ф от давления и температуры рабочего тела, скоростного режима, энергии активации и др. [11].

Следует учитывать, что повышение надёжности и работоспособности дизельных двигателей, эксплуати-

руемых в различных климатических условиях, зависит не только от общего времени задержки воспламенения топлива, но и от распределения этого периода по отдельным фазам процесса [11]. Известно, что задержка воспламенения топлива имеет физическую и химическую природу. Физическая сторона связана с распылением, прогревом и испарением топлива, то есть с физическими условиями предпламенных реакций. Изучение химических свойств предусматривает поиск оптимальных условий образования пламени и течения всего процесса горения.

На сегодняшний день существуют различные подходы к выделению основного физического или химического характера явления задержки воспламенения топлива. Ряд авторов связывают его со скоростью испарения топлива и диффузии, экспериментально доказывают, что уменьшение диаметра капель топлива, увеличение однородности распыливания при высоком давлении впрыскивания приводит к благоприятному перераспределению топлива и уменьшению задержки воспламенения [11, 15]. Вместе с тем, в некоторых работах показано, что высокая турбулентность воздуха, обусловленная ростом давления впрыска, может ухудшить условия воспламенения по причине сокращения числа начальных очагов распространения пламени. Результаты изучения физических параметров свидетельствуют о зависимости задержки воспламенения от общей температуры начала реакции [18]. В случае, когда она не превышает 400 °С турбулентность приводит к повышению периода задержки воспламенения, при более высоких температурах задержка воспламенения заметно уменьшается.

При сильной турбулентности предпламенные процессы окисления начинаются при пониженных концентрациях топлива в топливовоздушной смеси с преимущественным образованием активных радикалов ЯО и НО, которые взрывообразно воспламеняются. В условиях слабой турбулентности преимущественно образуются сложные промежуточные молекулы - альдегиды, кетоны, олефины, замедляющие реакцию распада на активные радикалы и атомы. Экспериментально было показано, что увеличение задержки воспламенения топлива вызывает ускоренный износ деталей цилиндропоршневой группы [15]. Авторы ряда работ [16, 17] отмечают большое влияние пространственного расположения факелов на задержку воспламенения в отличие от величины давления впрыскивания, объясняя это наличием в факеле топлива капель различных размеров, в том числе оптимального (для конкретных условий смесеобразования) диаметра. Опыты И.И. Гершмана и других исследователей показали, что по мере снижения давления затяжки пружины форсунки, период задержки воспламенения возрастает по мере снижения начальной температуры воздуха [6, 11].

Важнейшее значение для определения закономерностей изменения задержки воспламенения имеют исследования кинетики реакции горения в целом. Время задержки воспламенения - один из основных параметров, определяемых при анализе детальных химических механизмов горения топливных смесей, характеризующих практическую применимость разных видов топлива [18].

Процесс испарения топлива не играет важной роли в воспламенении и непосредственно не влияет на развитие химических процессов [19]. В работающем двигателе при нормальном распылении топлива на физическую составляющую времени задержки приходится менее 10 %, а снижение температуры в камере сгорания в результате испарения бензина не превышает 20 °С.

Согласно новым представлениям [7, 11, 14] решающая роль в процессах задержки воспламенения отводится скорости химических превращений топлива. Показано, что при впрыскивании его первых порций в условиях относительно низких температур в рабочем пространстве наблюдается «холоднопламенная» стадия процесса окисления, определяющая задержку воспламенения. Начальная фаза этой стадии характеризуется появлением органических перекисей, образованием свободных атомов водорода и углерода. Распад перекисей при достижении критической концентрации проявляется образованием «холодного» пламени, дальнейшее распространение которого по объёму сопровождается диффузией активных частиц в свежую смесь без теплопередачи. Продукты «холодного» пламени - в основном альдегиды (уксусный и муравьиный) и активные продукты распада перекисей. «Холоднопламенная» стадия процесса окисления протекает путём образования из исходного относительно инертного углеводорода химически активной смеси из перекисей, альдегидов и радикалов (молекул, потерявших атомы водорода) с их последующим распадом со значительным повышением температуры и выделением тепла. Завершаются предпламенные химические реакции окисления воспламенением топлива с полным выделением энергии. Последовательные превращения исходного углеводорода приводят к разогреву топливовоздушной смеси и созданию настолько большой концентрации активных центров, что образование «горячего» пламени (воспламенение) становится возможным даже при сравнительно низкой начальной температуре.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Новые представления о физической и химической природе задержки воспламенения топлива способствуют решению ряда практически важных вопросов, обеспечивающих повышение надёжности эксплуатации дизельных двигателей, в частности улучшение пусковых свойств. Так, для этих целей предлагается организовать двухфазную подачу топлива в цилиндр в течение цикла: в конце такта сжатия (штатный вариант) и в конце такта выпуска при дополнительном ходе плунжера [11]. Дополнительный ход плунжера создается удвоением частоты вращения вала топливного насоса на время пуска. Доза топлива, поданная в конце такта выпуска, подогревается теплотой сжатого заряда в большей степени, чем основная, поступившая в цилиндр в конце хода сжатия. Такая схема обеспечивает подачу основной и дополнительной порций топлива с повышенной объёмной скоростью плунжера, увеличивает давление впрыскивания и улучшает другие показатели процесса подачи топлива. При этом период задержки воспламенения топлива сокращается на 27-30 %.

Противоречивость взглядов на соотношение физической и химической фаз задержки воспламенения привела к различным подходам к созданию расчетных методов определения задержки воспламенения. К их уточнению и разработке новых универсальных методов расчёта могут привести только эксперименты с использованием уже существующих методик, в которых будет учтено большое количество факторов. Актуальность дальнейшего исследования задержки воспламенения топлива обусловлена также возрастающим вниманием к ряду негативных эффектов эксплуатации дизельных двигателей с газодинамическим наддувом, связанных с интенсивным накоплением «низкотемпературных» отложений смолы, образующихся при относительно низкой температуре наддувочного воздуха.

Заключение. В условиях низких температур окружающей среды процессы сгорания топлива в цилиндре двигателя имеют свои особенности. При этом вопросы эксплуатационной надёжности дизельных двигателей с

турбонаддувом в условиях Крайнего Севера и Арктической зоны изучены недостаточно. Поэтому исследование влияния турбонаддува и охлаждения наддувочного воздуха на эксплуатационную надежность дизельных двигателей, в условиях низких температур актуально и практически значимо.

Изучение разных фаз воспламенения топлива в зависимости от температуры надувочного воздуха может способствовать разработке новых принципов конструирования теплообменных систем, регулирующих глубину охлаждения надувочного воздуха, что повысит эксплуатационную надёжность двигателя.

Литература.

1. Кукис В.С. Совершенствование поршневых двигателей внутреннего сгорания. Saarbuchen: Palmarium Academic publishing. 2012. 395 p.

2. МорозовА.В., Котровский А.А., ФилёвА.В. Выбор метода комплексного сравнения объектов автобронетанковой техники на этапе проектирования// Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород: Издательство Нижегородского государственного технического университета, 2014. 2 (104). С. 120-123.

3. Крохта Г.М. Повышение эффективности эксплуатации энергонасыщенных тракторов в условиях Западной Сибири: дис. ... докт. техн. наук. Новосибирск, 1995. 331 с.

4. Фадеев Д.Ю., Иванов В.В. К вопросу оптимизации параметров наддувочного воздуха в дизелях// Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Познание. 2014. 8 (35). С. 5-6.

5. Сеначин А.П. Численное моделирование задержки воспламенения топлива в дизеле: дис.... канд. техн. наук. Барнаул, 2012. 134 с.

6. Повышение эффективности работы дизелей в особых условиях эксплуатации/А.М. Смирнов, Д.В. Шабалин, С.А. Перов, С.Э. Дадаян// Омский научный вестник: Машиностроение и машиноведение. 2014. №3. С. 136-138

7. Стабилизация параметров наддувочного воздуха с целью обеспечения оптимальных значений коэффициента избытка воздуха в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы дизеля/Д.В. Шабалин, С.В. Рослов, И.Ю. Килунин, А.А. Смолин// Омский научный вестник: Машиностроение и машиноведение. 2014. №3. С. 102-105.

8. Kobori S., Kamimoto T., Aradi A.A. A study of ignition delay of diesel fuel sprays // International Journal of Engine Research February. 2000. V. 1. No. 1. Рр. 29-39

9. Ignition delay of reactivity controlled compression ignition (RCCI) for the mixture of diesel fuel and ethanol in rapid compression machine / J.C.V. Loaiza, F.Z. Sánchez, O.M.R. De Souza, S.L. Braga // In Anais do XXIII Simposio Internacional de Engenharia Automotica - SIMEA 2014 [Blucher Engineering Proceedings]. Sao Paulo: Blucher, 2015. Рр. 9-27.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

10. Нефедов В.И. Улучшение параметров форсированных дизелей воздушного охлаждения изменением глубины охлаждения наддувочного воздуха: дис.... канд. техн. наук. Челябинск, 1998. 169 с.

11. О задержке воспламенения топлива в цилиндре дизеля / В.М. Славуцкий, А.В. Курапин, В.В. Славуцкий, Е.Д. Тершуков //Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. 2015. № 3. С. 162-166.

12. Strategies for emissions control in heavy-duty diesel engines to achieve low-emissions combustion with a high efficiency: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D / C. Guisheng, Di Lei, S. Yinggang, Z. Wei, M. Bin //Journal of Automobile Engineering. 2016. V. 230. No. 5. Pp. 593-608

13. Understanding the relationship between ignition delay and burn duration in a constant volume vessel at diesel engine conditions / S. Rabl, T.J. Davies, A.P. McDougall, R.F. Cracknell// Proceedings of the Combustion Institute. 2015. 35 (3). Pp. 2967-2974.

14. Зейнетдинов Р.А., Котлова О.Ю. Определение необходимости применения охладителей наддувочного воздуха ДВС// Инновационные технологии в сервисе: сб. науч. тр. /под ред. А.Е. Карлика. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный экономический университет, 2015. С. 206-208.

15. Гаврилов А.А., Гоц А.Н. Продолжительность задержки воспламенения топливно-воздушной смеси в поршневых двигателях // Фундаментальные исследования: технические науки. 2014. № 6. С. 703-708.

16. Романов В.А. Оптимизация температуры наддувочного воздуха в дизеле ЯМЗ-8424 при работе на переменных режимах // Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения: сб. науч. тр. / Омск. Издательство Омский государственный университет. 2007. Ч. 1. С. 342-346.

17. Романов В.А. Повышение эффективности наддува за счет стабилизации температуры воздуха, поступающего в цилиндры дизеля, работающего на переменных режимах //Двигатели внутреннего сгорания. 2007. № 2. С. 39-43.

18. Никитин А.В. Кинетические закономерности окисления легких алканов и их смесей в среднетемпературной области: дис. ... канд. хим. наук. Черноголовка, 2016. 146 с.

19. Вайсблюм М.Е. Развитие требований ЕЭКООН в отношении экологических показателей АТС и двигателей //Журнал ААИ. 2009. № 3 (56). С. 21-26.

RELIABILITY OF DIESEL INTERNAL-COMBUSTION ENGINES UNDER CONDITIONS

OF THE EXTREME NORTH

V.P. Gulyaev, N.P. Alexandrov, S.M. Klimov

Yakutsk State Agricultural Academy, ul. Krasil'nikova, 15, Yakutsk, 677007, Russian Federation

Summary. An experience in restoration of the functionality of diesel engines of KamAZ and YaMZ series, corresponding to the requirements of the standards Euro 2 and Euro 3, revealed a high failure density of the details of the cylinder-piston section. This paper provides an overview of theoretical and experimental investigations carried out in order to reveal the causes of the reduction of operation reliability of diesel engines with an intermediate cooling system. An intensive use of diesel engines of vehicles in the Sakha (Yakutia) Republic during the winter period, when ambient temperatures are from minus 45 to minus 65 degrees is mainly carried out continuously for 50-60 days. In this case, the engine can operate in the idle mode for about 12 hours. The operation of the engine with the cooling in the idle mode and with low loads negatively affects the conditions of the operation process. The delay period of the ignition of the fuel is a key parameter that characterizes the operation of diesel engines equipped with a turbocharger. Therefore, the improving of the reliability of diesel engines operating in different climatic conditions requires the study of physical and chemical processes of the fuel ignition delay. Today, there is no a common opinion on this problem. The increase in the operational reliability of diesel engines with the blowing air cooling, working under conditions of the Extreme North and the Arctic zone of the country, requires the accelerating complex of experimental researches taking into account all significant factors influencing the delay period of the ignition of the fuel. There is a need in using of existing research methods, as well as the creation of new methods. The study of the different phases of fuel ignition depending on the temperature of boost air may contribute to the development of new principles of design of heat exchanging systems, regulating the degree of cooling of boost air, which increase the operational reliability of the engine. Keywords: diesel internal-combustion engines, delay of fuel ignition, low temperatures, reliability.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Author Details: V.P. Gulyaev, D. Sc. (Tech.), prof. (e-mail: uekztddg@mail.ru); N.P. Alexandrov, Cand. Sc. (Tech.), assoc. prof.; S.M. Klimov, senior lecturer.

For citation: Gulyaev V.P., Alexandrov N.P., Klimov S.M. Reliability of Diesel Internal-Combustion Engines under Conditions of the Extreme North. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2016. V.30. No. 11. Pp. 113-117 (in Russ.).