Оценка численных значений коэффициента избытка воздуха при низкотемпературном пуске дизелей с использованием разогрева впускного заряда

К одним из важных показателей дизеля относятся его пусковые качества. Их улучшение возможно на основе изучения и совершенствования внутрицилиндровых процессов, протекающих в период пуска, в частности, совершенствования процессов воспламенения, выгорания топлива и выделения теплоты.

Форсирование дизелей по среднему эффективному давлению и частоте вращения коленчатого вала сопровождается понижением геометрической и действительной степени сжатия. В результате - запуск таких дизелей затруднен: даже при положительных температурах окружающей среды высока вероятность невоспламенения подаваемого в цилиндры топлива и неинтенсивного выделения теплоты.

Своевременное и стабильное воспламенение подаваемого в цилиндр топлива обеспечивается применением средств облегчения воспламенения, среди которых наибольшее распространение получили свечи накаливания (преимущественно в дизелях с разделенной камерой сгорания), легковоспламеняющиеся пусковые жидкости и подогреватели впускного воздуха. Для подогрева свежего заряда используют электрические и электрофакельные подогреватели, подогреватели, использующие теплоту отработавших газов пускового двигателя и другие. Наиболее эффективно повышение температуры впускного воздуха и последующее воспламенение топлива происходит при смешивании воздуха с продуктами сгорания углеводородных топлив. При таком способе облегчения пуска его результативность во многом зависит от доли продуктов сгорания во впускном заряде. Недостаточный разогрев впускного заряда увеличивает период от начала пуска до появления первых вспышек. Высокая концентрация продуктов сгорания может обусловить и ухудшение пуска. Таким образом, влияние параметров впускного заряда, подготавливаемого к использованию в цилиндре посредством разогрева продуктами сгорания топлива, на протекание процессов, происходящих в цилиндре в период пуска, неоднозначно и требует изучения.

Инструментальной базой для этого может служить индикаторная диаграмма давления рабочего тела в цилиндре, соответствующая первым циклам с подачей топлива.

Нужно отметить, что экспериментальное обеспечение решения сформулированной задачи является непростым. Именно этим обстоятельством можно объяснить сравнительную немногочисленность научных работ, посвященных анализу теплоиспользования при пуске [1,2].

Шароглазов Б.А., Шишков В.В.,      Оценка численных значений коэффициента избытка воздуха

Попов А.Е.при низкотемпературном пуске дизелей...

Пуск двигателя - процесс кратковременный. Для анализа особенностей выделения теплоты в этот период кроме индикаторной диаграммы цикла необходимы данные о численных значениях коэффициента избытка воздуха, выявление которых представляет определенные трудности.

При разогреве впускного заряда продуктами сгорания углеводородных топлив (например, выпускными газами) необходима оценка численных значений коэффициента избытка воздуха во впускном заряде a_s и в цилиндре двигателя а. Не зная численных значений этих параметров, невозможно оценить текущие параметры состояния рабочего тела в цилиндре, а, значит, невозможно выявить такие важные характеристики рабочего цикла, как характеристики активного выделения теплоты, выгорания, тепловых потерь и др. Выявление численных значений а и a_s, в свою очередь, связано с необходимостью количественной оценки наличия окислителя: воздуха, во впускном заряде, а затем и в цилиндре двигателя.

Обозначим долю избыточного (свободного) воздуха через г_а =М_а/М , где М_а - число молей (количество) избыточного воздуха во впускном заряде, находящемся во впускном трубопроводе или в цилиндре двигателя; М- общее число молей газа.

Объемная доля избыточного воздуха во впускном заряде г_а может быть определена, исходя из процентного содержания О_а кислорода в нем, которое может быть выявлено на основании химического анализа газов, находящихся во впускном трубопроводе. Предпочтительным местом отбора с позиции технической реализации этой задачи является горловина впускных клапанов.

Поскольку содержание кислорода в воздухе (по объему) составляет 21%, объемная доля избыточного воздуха в свежем заряде определяется соотношением г_а = О_а/Т\ .

Взаимосвязь объемной доли избыточного воздуха г _а и коэффициента избытка воздуха а выявляется из следующего: если r_a = 1, то а = оо, и а = 1 при г_а = 0.

Отсюда следует:

«АНУ                                (1)

что справедливо для процессов впуска и сжатия (до момента начала подачи топлива).

Если допустить, что процесс подачи топлива носит мгновенный характер, не растянут во времени и совпадает с началом самовоспламенения, выражение (1) оказывается справедливым вплоть до начала процесса сгорания.

Для процесса сгорания численные значения коэффициента избытка воздуха а определяются, исходя из общего понятия этого параметра a = M

где Мо - действительное количество воздуха, расходуемое на сжигание одного кг топлива, кг- моль; Lq - количество воздуха, теоретически необходимое для сжигания одного кг топлива, кг- моль воздуха / кг топлива, которое определяется элементарным химическим составом топлива:

С Н_О

_{L л}12 ⁺ 4 32

°       0,21

Здесь С, Н, О - массовые доли соответственно углерода, водорода и кислорода в топливе.

где М_а - общее число молей рабочего тела в цилиндре двигателя, кг-моль; G^- цикловая подача топлива, кг/цикл.

Общее число молей рабочего тела, находящегося в цилиндре после завершения впуска, определяется, исходя из уравнения состояния газов.

Применительно к точке а_А (момент закрытия впускного клапана) индикаторной диаграммы (см. рисунок) оно запишется в виде

Расчет и конструирование

где р_аХ, V_aX, Т_аХ - соответственно давление, полный объем и температура рабочего тела в точке а_х индикаторной диаграммы; R - универсальная газовая постоянная.

Температуру рабочего тела в точке а_х можно с достаточной точностью определить расчетным путем, зная температуру впускного заряда на входе в цилиндр.

Схема протекания давления рабочего тела в цилиндре двигателя при пуске: Ро - атмосферное давление; а_х - момент закрытия впускного клапана

Если пренебречь утечками заряда через неплотности цилиндро-поршневой группы, из уравнений (3) и (4) следует

« = га-Мах ^m4-Loy.

Таким образом, для определения а применительно к процессу сгорания необходимо знать полный объем рабочего тела в точке а_х индикаторной диаграммы, который выявляется из соотношения V^ = V_C -ц/^^, где V_c - объем камеры сгорания, м³; у^аО ~ численное значение кинематической функции изменения объема цилиндра для точки а, индикаторной диаграммы.

Объем камеры сгорания определяется по выражению У_с = V_h • (f -l)⁴, где V_h - рабочий объем цилиндра.

Функция у/(а_аХ) применительно к моменту закрытия впускного клапана определяется (для двигателей с центральной схемой кривошипно-шатунного механизма) соотношением [3]:

где 2 = г/Ь_ш - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; а_аХ - угол поворота коленчатого вала, соответствующий моменту закрытия впускного клапана.

Еще раз отметим, что в предложенной методике оценки численных значений коэффициента избытка воздуха не учитывается динамика впрыскивания топлива, процесс подачи топлива считается мгновенным, не учитывается изменение числа молей рабочего тела в цилиндре двигателя вследствие утечек через неплотности цилиндро-поршневой группы.

Однако, изложенная методика дает возможность применительно к условиям низкотемпературного пуска при известных химическом составе рабочего тела на входе в цилиндр и цикловой подаче топлива относительно легко рассчитать численные значения коэффициента избытка воздуха, что является необходимым условием для определения текущих параметров состояния рабочего тела в цилиндре и последующего выявления других характеристик рабочего цикла.

Шароглазов Б.А., Шишков В.В., Попов А.Е.

Оценка численных значений коэффициента избытка воздуха при низкотемпературном пуске дизелей...