CC BY
111
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА:
НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Библиографический список
1. Дяшкин-Титов В.В. Разработка методов расчёта манипулятора-трипода на поворотном основании: автореф. дис. ...канд. техн. наук [Текст]/ В.В. Дяшкин-Титов. - Волгоград, 2014. - 20 с.
2. К определению зоны обслуживания мобильного манипулятора-трипода [Текст]/
В.М. Герасун, И А. Несмиянов, Н.С. Воробьева [и др.] // Машиностроение и инженерное образование. - 2013. - № 3. - С. 2-8.
3. Манипуляторы для мобильных роботов. Концепции и принципы проектирования [Текст]/ В.М. Герасун, В.И. Пындак, И.А. Несмиянов [и др.] // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. - 2012. - № 44. - 24 с.
4. Пындак, В.И. Динамика гидрофицированных манипуляционных систем сельскохозяйственного назначения [Текст]/ В.И. Пындак // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2011. - № 3. - С. 192-197.
5. Пындак, В.И. Алгоритм кинематического и силового анализа шарнирно-стержневых манипуляторов [Текст]/ В.И. Пындак, Н.В. Кривельская, И.А. Ляпкосова // Справочник. Инженерный журнал. - 2010. - № 4. - С. 31-34.
6. Пындак, В.И. Повышение эффективности навесных гидроманипуляторов [Текст]/ В.И. Пындак, С.С. Муха // Тракторы и сельхозмашины. - 2003. - № 8. - С. 36-38.
7. Pyndak, V.I. Energy Efficiency of Mechanisms and Instruments for Deep Cultivation of Soil / V.I. Pyndak, A.E. Novikov // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. - 2014. -Vol.43, No.6. - pp. 532-536.
E-mail: vgsxa@mail.ru
УДК 621.43
О ЗАДЕРЖКЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ
В.М. Славуцкий, доктор технических наук, профессор А.В. Курапин, кандидат технических наук, доцент В.В. Славуцкий, инженер; Е.Д. Тершуков, студент
Волгоградский государственный технический университет
Рассмотрены процессы, предшествующие воспламенению топлива в дизеле. Проанализированы конструктивные, регулировочные и эксплуатационные факторы, определяющие продолжительность задержки воспламенения.
Ключевые слова: задержка воспламенения, индикаторная диаграмма, степень турбулизации, давление впрыскивания, испарение капель, кинетика реакции.
Индикаторный период задержки воспламенения является одним из основных параметров рабочего процесса дизельного двигателя, в закономерной зависимости от которого находятся основные показатели процесса сгорания топлива. На это обстоятельство впервые обратил внимание Т. М. Мелькумов [9], a А.И. Толстов [16] путем обработки многочисленных индикаторных диаграмм подтвердил это. Период задержки воспламенения начинается с момента поступления первой порции топлива в цилиндр и кончается в момент начала повышения давления в результате воспламенения. В течение этого периода происходят физико-химические процессы подготовки топлива к сгоранию.
По мнению А.И. Толстова [17], задержка воспламенения топлива складывается из двух фаз: физической и химической. Физическая фаза связана с распыливанием, прогревом и испарением топлива. В течение этой фазы создаются условия для предпламенных реакций. За время химической фазы реакция в зоне с оптимальными усло-
162
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
виями приводит к образованию пламени. Мнения исследователей по поводу соотношения физической и химической фаз противоречивы. Некоторые считают, что на время задержки воспламенения, в основном, влияет скорость испарения топлива и диффузия [1]. По мнению других, процесс испарения топлива не играет важной роли в воспламенении и непосредственно не влияет на развитие химических процессов и время задержки воспламенения [2]. Такой же точки зрения придерживается и В. Вентцель [5], мотивируя это кратковременностью испарения мелких капель топлива. По данным Д.Д. Бро-зе [4], в работающем двигателе при нормальном распыливании топлива (с пределами возгонки 200-300 °С) физическая составляющая времени задержки составляет 10 %. Снижение температуры в камере сгорания в результате испарения бензина не превышает 20 °С [13]. В. Г. Гаврилов [6] считает, что время задержки воспламенения определяется только химическими факторами. Такого же мнения придерживаются и некоторые другие исследователи [3].
Специалистов обычно интересует общее время задержки воспламенения, куда включены её физическая и химическая составляющие. И лишь в случае, когда ставится задача использовать резервы двигателя, определяющиеся через задержку воспламенения (связанные, например, с ресурсом дизеля), возникает необходимость изучения распределения времени по отдельным фазам и влияющих на него факторов. И особый случай - это процесс пуска дизеля, если ставится задача улучшить пусковые свойства дизеля, используя только его потенциальные возможности и не прибегая к традиционным методам подогрева заряда.
Для улучшения пусковых свойств дизеля предлагается двухфазная подача топлива в цилиндр. Это обеспечивается дополнительным ходом плунжера при удвоении частоты вращения вала топливного насоса на время пуска [14, 15]. Таким образом, подача топлива в цилиндр дизеля осуществляется два раза в течение цикла: в конце такта сжатия (штатный вариант) и в конце такта выпуска при дополнительном ходе плунжера. Доза топлива, поданная в конце такта выпуска, подогревается от теплоты сжатого заряда в большей степени, чем основная доза топлива, поданная в цилиндр в конце хода сжатия. Это приводит к повышению надёжности воспламенения топлива.
Увеличение частоты вращения вала топливного насоса на период пуска в два раза, по сравнению с обычной его скоростью вращения, обеспечивает подачу основной и дополнительной порций топлива с повышенной объёмной скоростью плунжера. Давление впрыскивания повышается почти в два раза. Увеличивается подъём иглы форсунки до 0,25 мм при высоте упора - 0,26 мм. Заметно улучшаются показатели процесса подачи топлива. Топливо более качественно распыливается и лучше перемешивается с воздухом. Время пуска дизеля Д-144 (ТНВД - УТН-5) уменьшается на 29...32 %. Период задержки воспламенения топлива сокращается на 27.30 %. Приведенные результаты натурного эксперимента получены при температуре окружающей среды - 4 0С.
Установка дополнительного клапана в нагнетательной магистрали топливного насоса позволяет в межцикловый период перепускать часть топлива в полость низкого давления и тем самым изменять количество подаваемого топлива при дополнительном ходе плунжера [14, 15].
Дискуссионность во взглядах на соотношение физической и химической фаз задержки воспламенения привела к различным подходам при создании расчетных методов определения задержки воспламенения. В настоящее время не существует методов расчёта задержки воспламенения топлива при пуске дизеля.
163
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
В результате проведения многочисленных экспериментов, при проведении которых изменялись степень сжатия, угол опережения впрыскивания топлива и давление наддува, Толстовым А. И. [16] получена зависимость задержки воспламенения топлива от различных факторов: частоты вращения коленчатого вала, температуры и давления заряда в начале сжатия, характера процесса сжатия и энергии активации.
Г.Н. Кидина предлагает учитывать средние за время задержки воспламенения значения давления и температуры заряда, что особенно важно при больших углах опережения впрыскивания топлива. На это же указывали А. И. Сербинов, Н. В. Иноземцев и В. К. Кошкин.
Согласно новым представлениям решающая роль в формировании условий процесса воспламенения отводится не только газодинамическим и термодинамическим явлениям, но и кинетике реакций, то есть скорости химических превращений топлива. А.С. Соколик [13] впервые доказал, что в дизеле имеет место низкотемпературное многостадийное воспламенение. При относительно низких температурах в условиях впрыскивания первых порций топлива накапливаются органические перекиси без распада углеводородных молекул с образованием свободных атомов водорода и углерода. При достижении критической концентрации перекисей происходит взрывной распад их с образованием «холодного» пламени. Температура этого пламени очень низка, при этом не воспламеняется даже легковоспламеняющиеся вещества. В определенных условиях, однако, наблюдается слабое свечение пламени. Распространение «холодного» пламени по объему сопровождается диффузией активных частиц в свежую смесь без теплопередачи. Холоднопламенная стадия процесса окисления определяет задержку воспламенения, то есть время, в течение которого не регистрируется заметного изменения давления. Продуктами «холодного» пламени являются в основном альдегиды (уксусный и муравьиный) и активные продукты распада перекисей. В результате холоднопламенной стадии процесса окисления происходит, таким образом, замена исходного относительно инертного углеводорода химически активной смесью из перекисей, альдегидов и радикалов (молекул, потерявших атомы водорода). Окисление уксусного альдегида составляет существенную часть вторичной стадии процесса окисления и приводит к накоплению нового вида перекисей, которая (стадия) при некоторой критической концентрации через некоторый период времени также завершается взрывным распадом. При этом образуется «голубое» пламя, сопровождающееся значительным повышением температуры и выделением тепла. Продуктами этого промежуточного типа пламени являются окись углерода и другие активные продукты неполного окисления топлива. В условиях повышенной температуры после короткого периода времени наступает тепловой взрыв, то есть воспламенение топлива с полным выделением энергии. Последовательные химические превращения исходного углеводорода приводят к разогреву топливовоздушной смеси и к созданию настолько большой концентрации активных центров, что образование «горячего» пламени (воспламенение) становится возможным даже при сравнительно низкой начальной температуре.
По поводу механизма воздействия турбулентности на процесс самовоспламенения топлива во взглядах, например, школ А. И. Толстова и А.С. Соколика существовали некоторые различия. Так, А. И. Толстов [17] сформулировал вполне определенно, что сильная турбулизация воздуха может даже ухудшить условия воспламенения, что связано с сокращением числа начальных очагов распространения пламени при сильном завихрении воздуха.
164
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Не совсем определенной была точка зрения А. С. Соколика. Он допускает как уменьшение, так и увеличение задержки воспламенения в зависимости от температуры в зоне реакции [8]. В некоторых работах делается попытка уточнить области низких и высоких температур. Ю. Б. Свиридовым и Т. Р. Филипосянцем было показано, что в области температур ниже 400 °С турбулентность приводит к увеличению задержки воспламенения, при температурах не выше 400 °С, наоборот, - к уменьшению [10]. Точно такие результаты были получены еще в 30-е годы Гартнер-Зеберихом. Опыты А. Пишингера и Ф. Пишинге-ра также подтвердили сокращение задержки воспламенения при интенсивном завихрении (в области высоких температур). Вихревое движение в камере сгорания создавалось путем тангенциального впуска воздуха в цилиндр непосредственно перед началом сжатия. Мнение Г.Н. Кидиной основано на более поздних работах Н.Н. Семенова, Н.М. Эмануэля и В. Н. Кондратьева. При интенсивном перемешивании (турбулизации) заряда предпламенные процессы окисления протекают при пониженных концентрациях топлива в топливновоздушной смеси с преимущественным образованием активных радикалов RO и HO. Последние взрывообразно воспламеняются. При слабой же турбулизации предпламенные процессы протекают с образованием преимущественно более сложных промежуточных молекул - альдегидов, кетонов и олефинов. Распад на активные радикалы и атомы происходит сравнительно медленно. Итак, одни исследователи утверждают, что для уменьшения задержки воспламенения турбулизация заряда вредна, другие считают, что она необходима. На практике подтверждаются обе точки зрения. Так, например, наши эксперименты на дизеле с вихревой камерой показали заметное увеличение задержки воспламенения топлива при утечках заряда в результате износа цилиндропоршневой группы, что сопровождалось снижением давления в цилиндре при сжатии [11, 12].
Общеизвестна связь времени испарения капли топлива с её размерами. Мелкость же распыливания зависит от давления впрыскивания топлива. Уменьшение диаметра капель и увеличение однородности распыливания топлива по мере повышения давления впрыскивания показано в работах Т.М. Мелькумова [9] и других авторов. По поводу же изменения периода задержки воспламенения при увеличении тонкости распы-ливания нет единого мнения среди исследователей. В.К. Кошкин [8] считает, что увеличение давления впрыскивания приводит к благоприятному перераспределению топлива за период впрыскивания, при этом задержка воспламенения уменьшается.
Интересные результаты получил И.И. Гершман [7], исследуя в условиях бомбы процессы воспламенения и горения дизельного топлива в зависимости от качества его распыливания. Условия распыливания изменялись путем регулировки форсунок на разные давления впрыскивания. Опыты показали, что по мере снижения давления затяжки пружины форсунки возрастает период задержки воспламенения тем больше, чем ниже начальная температура воздуха. По данным Кривенко П. М., повышение давления впрыскивания с 7 до 12,5 мПа сокращает период задержки воспламенения с 8 до 6 градусов поворота коленчатого вала двигателя. Опыты проводились на двигателе Д-54 с предкамерой. Влияние степени распыливания топлива на процессы его воспламенения и горения исследовал Гулин Е. И. на одноцилиндровом быстроходном четырехтактном дизеле с однополостной камерой сгорания. В результате экспериментов выяснено, что существует вполне определенная зависимость периода задержки воспламенения от числа и размеров капель. Чем больше в факеле распыленного топлива мелких капель, тем, при прочих равных условиях, меньше период задержки воспламенения. Изменение качества распыливания достигалось изменением затяжки пружины форсунки и установкой различных распылителей.
165
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (39), 2015
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
По мнению многих авторов, давление впрыскивания незначительно влияет на задержку воспламенения, т.к. в факеле топлива всегда имеют место капли различных размеров и в том числе капли оптимального (для данных условий смесеобразования) диаметра, обеспечивающие воспламенение топлива. В большей степени на задержку воспламенения может влиять пространственное расположение факелов. По данным И.И. Гершмана [7], минимальная задержка воспламенения отмечена при определенной (оптимальной) степени распыливания топлива. Наличие оптимума степени распиливания объясняется попаданием топлива на стенки камеры сгорания, в результате чего задержка увеличивается.
Библиографический список
1. Басевич, В.Я. В сб. Сгорание и смесеобразование в дизелях [Текст] /В. Я. Басевич. -М.: Изд. АН СССР, 1960.
2. Басевич, В. Я. Поршневые двигатели внутреннего сгорания [Текст] / В.Я. Басевич, А С. Соколик. - М.: АН СССР, 1956.
3. Брилинг, Н. Р. Быстроходные дизели [Текст]/ Н.Р. Брилинг и др. - М., 1951.
4. Брозе, Д. Д. Сгорание в поршневых двигателях [Текст]/ Д.Д. Брозе. - М.,1969.
5. Венцель, С. В. Процесс воспламенения в бескомпрессорных дизелях [Текст]/
С.В. Венцель //Двигатели внутреннего сгорания. - М., 1960.
6. Гаврилов, Б. Г. Химизм предпламенных процессов в двигателях [Текст]/ Б. Г. Гаврилов. - Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1959.
7. Гершман, И. И. Влияние распыливания на воспламенение и сгорание дизельного топлива [Текст] / И. И. Гершман //Труды НАМИ. - 1959. - Вып. 87.
8. Кошкин, В. К. Динамика процесса сгорания в быстроходном двигателе [Текст]: дисс. докт. / В. К. Кошкин. - 1946.
9. Мелькумов, Т.М. Теория быстроходных двигателей с самовоспламенением [Текст] / Т. М. Мелькумов. - М.: Оборонгиз, 1953.
10. Свиридов, Ю. Б. Влияние вихревого движения среды на смесеобразование и сгорание впрыснутого топлива [Текст] / Ю. Б. Свиридов, Т.Р. Филипосянц // Труды ЦНИТА. - ОН-ТИ, 1968, - Вып. 38.
11. Славуцкий, В. М. Определение турбулентных характеристик вихревой камеры дизеля [Текст]/ В.М. Славуцкий, А.А. Ющенко //Труды Волгоградского политехнического института, двигатели и тракторы. - Волгоград, 1969.
12. Славуцкий, В. М. Вихревая камера дизеля с улучшенными турбулентными характеристиками [Текст] / В.М. Славуцкий, А.А. Ющенко //Труды Волгоградского политехнического института, двигатели и тракторы. - Волгоград, 1968.
13. Соколик, А. С. О физико-химической природе самовоспламенения и сгорания в двигателе с самовоспламенением от сжатия [Текст] / А.С. Соколик. - М.: ЦНИДИ-ВНИТОЭ, 1951. - Вып.18.
14. Способ запуска дизельного двигателя [Текст]: пат. 2403432 РФ МПК F 02N19/00. / Е.А. Федянов, В.М. Славуцкий, В.В. Славуцкий, В.И. Липилин, З.В. Каныгин; ВолгГТУ. -2010.
15. Способ регулирования подачи топлива в цилиндры дизеля [Текст]: пат. № 2187688 Рос. Федерация, МПК7 F 02 M 63/04 / В.М. Славуцкий, В.В. Славуцкий, В.А. Зубченко, А.В. Курапин, В.И. Липилин, А. М. Ларцев.
16. Толстов, А. И. К теории рабочего процесса быстроходного двигателя с воспламенением от сжатия [Текст] / А.И. Толстов. - ЦНИДИ-ВНИТОЭ, 1951. - Вып. № 18.
17. Толстов, А. И. Индикаторный период запаздывания воспламенения и динамика цикла быстроходного двигателя с воспламенением от сжатия [Текст] / А.И. Толстов //Исследование рабочих процессов в быстроходных дизеля: труды научно-исследовательской лаборатории двигателей. - М., 1955.
E-mail: victorslav@nm.ru
166
