Оценка показателей процесса сгорания и тепловыделения в дизеле с предварительным подогревом топлива

Исследования по улучшению процесса сгорания в дизельных двигателях проводятся на протяжении десятков лет. К дизельным транспортным средствам предъявляются высокие эксплуатационные и экологические требования. Выполнение данных условий возможно при улучшении рабочего процесса дизельного двигателя. Учеными обоснованы методы дополнительного воздействия на дизельное топливо (ДТ) в топливной системе.

На основе экспериментальных данных предложен ряд способов воздействия на ДТ. К способам внешнего физического воздействия на ДТ можно отнести магнитные, электромагнитные, электрические поля, радиоактивное облучение низкой интенсивности. Химическое воздействие направлено на процессы, происходящие в жидкой фазе ДТ. При химическом и физическом воздействии на ДТ происходит изменение его свойств: уменьшение плотности, вязкости и поверхностного натяжения, распад углеводородных молекул по связям углерода1 [1].

Одним из перспективных направлений является термическое воздействие на ДТ в системе топливоподачи, оказывающее влияние на процесс сгорания.

При дополнительном воздействии на топливо наблюдается деструкция топливного факела на мелкодисперсные фракции. В результате улучшаются качество распыливания, условия смесеобразования, испарения и горения в цилиндре. Одним из распространенных и эффективных способов получения данных по тепловыделению является установка датчика давления в цилиндре двигателя в определенной точке камеры сгорания. Сигнал, поступающий с датчика, регистрируется и обрабатывается системой National Instruments (NI).

Считается, что скорость распространения газодинамических колебаний давлений при самовоспламенении неравномерно распределяется в камере сгорания, но за счет своей величины (500–600 м/с) процесс выравнивания давления происходит быстро, и распределение давления можно считать рав-номерным2 [2].

Определение численных значений тепловыделения производится на основе индикаторных диаграмм, построенных в результате эксперимента. С их помощью анализируется процесс сгорания и тепловыделения дизельного двигателя.

На основании первого закона термодинамики тепловыделение определяется:

dQ x = CdT + PdV + dQ , (1)

где dQ_x – количество тепла, Дж; C_v – изохорная теплоемкость, Дж/(моль∙ºС); dT – изменение температуры, К (ºС); P – давление, МПа; dV – изменение объема, м³; dQ_w – количество тепла на потери, Дж.

Изменение температуры вычисляется по уравнению Клапейрона - Менделеева. Найденный показатель подставляем в выражение первого закона термодинамики (1) и находим значение тепловыделения.

В научной литературе данные по высокотемпературному воздействию на топливо в дизеле отсутствуют, а процесс сгорания и тепловыделения недостаточно изучен.

Цель исследования - получение экспериментальных зависимостей, анализ процесса сгорания, а также тепловыделения двигателя 4ЧН 11,0/12,5 при работе на ДТ, предварительно подогретом до температуры 300 ºС.

Обзор литературы

Группой исследователей Национального университета Ченг Кунг (Тайнань, Тайвань) был исследован процесс сгорания дизельного топлива с добавлением водорода во впускной коллектор с использованием системы рециркуляции отработавших газов (EGR), а также дана оценка параметров токсичности отработавших газов [3].

В работе польских ученых основной темой исследования было влияние водорода на процесс сгорания в дизельном двигателе и на показатели отработавших газов (ОГ) [4]. Результаты исследований показывают влияние H2 (5 % по отношению к процентному содержанию энергии ДТ) на улучшение процесса сгорания, при этом сокращается период задержки воспламенения, улучшается распыливание и смесеобразование ДТ. Увеличение соотношения количества водорода к углероду в топливе приводит к уменьшению содержания СО2. Однако отмечается, что если водорода в ДТ более 20 %, то это приводит к его быстрому сгоранию, увеличению максимального давления в цилиндрах двигателя и повышению температуры, что влияет на концентрацию NOx в ОГ [3–5].

Индийские исследователи проанализировали характеристики дизельного двигателя и параметры его токсичности при магнитном кондиционировании ДТ. В работе уделялось внимание режимам магнитного воздействия на ДТ с добавкой присадки CuO. Выявлено, что при обработке ДТ сильным магнитным полем процесс сгорания ДТ улучшается, механический и термический КПД увеличиваются на 7,0 и 6,7 % соответственно. Показатели токсичности CO, CO2 и NOx в ОГ снижаются на 17, 13 и 19 % соответственно [6].

Рассмотрены вопросы скорости выгорания углеводородов топлива при воздействии электрического заряда [7]. С помощью численного моделирования изучен процесс деструкции капель углеводородного топлива и его сгорания при ионизации стационарным разрядом. С помощью программного пакета представлены результаты проведения численных экспериментов по взаимосвязи возбужденных гидроксильных радикалов, отрицательных ионов, атомарного кислорода со скоростью сгорания капли топлива. В статье автор дал оценку влиянию активирования топлива электрическим воздействием на рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Стендовые испытания показали снижение расхода топлива при режиме номинальной мощности на 2,15 % [7].

В совместной статье ученых Шанхайского университета Цзяо Тонг (Китай) и Мичиганского университета (США) рассматривается смешанное низкотемпературное сгорание дизельного топлива и бензина: увеличивается период задержки воспламенения, необходимый для создания более однородного заряда в цилиндре, а образование сажи снижается за счет сокращения зон, локально богатых топливом. В экспериментальном исследовании наблюдается небольшое снижение концентрации NOx в ОГ [8].

Экспериментально исследовано влияние двухступенчатого впрыска на процесс сгорания и концентрацию токсичных веществ в ОГ при высоком уровне рециркуляции. Выявлено снижение сажевыделения, а также увеличение максимальной скорости нарастания давления в цилиндрах [9].

Доказана высокая эффективность сгорания при средней нагрузке с небольшим увеличением выбросов NO x в ОГ [10].

В работе иракских ученых представлены результаты экспериментов с добавлением присадок на металлической основе A1 2 O 3 , ZnO в дизельное топливо [11; 12]. При добавлении 100 ppm оксида алюминия снижается удельный расход топлива на 8,7 %, увеличивается КПД на 6 %, снижается содержание CO, SO₂, H₂S на 17, 19 и 19 % соответственно, но при этом содержание NO x увеличивается на 10 %. Было обнаружено уменьшение концентрации токсичных веществ в ОГ с применением присадок на металлической основе [11; 13; 14].

Определено влияние присадок на биметаллической основе на дизельное топливо. Выявлено снижение параметров монооксида углерода и углеводородов благодаря улучшению характеристик воспламенения. Концентрация NOx в ОГ увеличивается из-за добавки CuNO3, которая воздействует на процесс сгорания с повышением максимальной температуры [15].

Проведены исследования особенностей топливоподачи и экономичности дизеля при подогреве топлива. В работе определены основные факторы, которые обуславливают изменение процессов топливоподачи при предварительном подогреве дизельного топлива. Представлены результаты лабораторных испытаний и эксплуатационных проверок по результатам исследований. Приведены обоснования целесообразности подогрева ДТ в топливопроводе низкого давления, а также исследовано влияние процессов распыливания и смесеобразования при двух параметрах: коэффициенте интенсивности смесеобразования и интенсивности окисления3.

Результаты исследований английских ученых показывают повышение температуры многокомпонентного ДТ с увеличением давления от нагрева, вызванного трением и увеличением давления пара в топливной форсунке. Полученный эффект кавитации способствует распылению струи топлива, увеличению угла конусности распыления, который влияет на смесеобразование и процесс сгорания углеводородного топлива [16].

Выявлен сильный нагрев ДТ при его сжатии и при прохождении через форсунку при сверхвысоких давлениях, а также представлена методика расчета нагрева топлива под воздействием сверхвысокого давления. Уста- новлено, что данный способ обеспечивает нагрев до 50–200 ºС при давлении 200–400 МПа [17].

Исследовались показатели работы дизеля с термофорсированием [18]. Проведены стендовые испытания дизеля на подогретом топливе. Результаты подтвердили сделанные ранее предположения: предварительный подогрев ДТ положительно влияет на тепловыделение в цилиндре двигателя, улучшается процесс сгорания, снижается удельный эффективный расход топлива в пределах 1,5–3,4 %, а температура ОГ падает на 20–55 ºС.

Целью другого исследования стал анализ процесса сгорания и тепловыделения тракторного дизеля в зависимости от различных значений температур предварительной подготовки топлива. Данное воздействие позволяет сократить период задержки воспламенения, ускорить начало тепловыделения, а также уменьшить осредненную температуру цикла [19; 20].

На основе анализа методов предварительного подогрева ДТ и проведенного эксперимента отмечается повышение КПД цикла, снижение показателей токсичности и дымности в ОГ [21; 22].

Резюмируя обзор литературы, стоит отметить, что в работе двигателя значение имеют полноценные процессы то-пливоподачи, смесеобразования, воспламенения и сгорания ДТ в цилиндре. Химическое и физическое воздействие на ДТ в жидкой фазе приводит к изменению его свойств (плотности, вязкости, поверхностного натяжения, ориентации молекул ДТ), что положительно влияет на показатели работы дизельного двигателя. При применении некоторых способов воздействия необходимо сложное оборудование, что требует дополнительных вложений [18]. Эффективным способом воздействия на ДТ является его предварительный подогрев в системе топливоподачи. Авторами отмечается положительное влияние подогрева топлива на процесс сгорания и тепловыделения в дизельном двигателе [19–22].

Предварительный подогрев ДТ до высоких температур целесообразно осуществлять при помощи локального воздействия на топливопровод высокого давления перед форсунками. При данном способе передачи тепла топливу улучшается процесс смесеобразования за счет лучшей испаряемости мелкодисперсного топлива. Время индукционного периода сокращается, а также наблюдается снижение жесткости процесса сгорания. Предполагается повышение эффективности рабочего процесса в дизельном двигателе.

Том 31, № 3. 2021

Материалы и методы

Экспериментальные исследования проводились на дизельном двигателе 4ЧН 11,0/12,5 (Д-245.582) в испытательной лаборатории УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия» (Республика Беларусь). Внешний вид экспериментальной установки представлен на рисунке 1. Техническая характеристика оборудования, приборов и системы вывода полученных экспериментальных данных на компьютер приведены в таблице.

Исследовался дизельный двигатель Д-245.582 при номинальной частоте вращения коленчатого вала 1 800 мин–1. Согласно руководству по эксплуатации вначале производился предварительный прогрев двигателя на стенде4, затем он выводился на скоростной режим с частотой вращения коленчатого вала 1 800 мин–1. Испытания проводились при стандартных атмосферных условиях, температуре и плотности топлива5.

b)

а)

Р и с. 1. Общий вид: а) нагрузочный стенд; b) нагревательный элемент на линии высокого давления

F i g. 1. General view: a) load stand; b) heating element on the high-pressure line

Т а б л и ц а

T a b l e

Приборы и оборудование в составе экспериментальной установки Devices and equipment as a part of experimental installation

Оборудование / Equipment Тип, марка / Type, model Примечание / Note Датчик динамического давления / Dynamic pressure sensor PS-01 Измерение динамического давления в различных средах. Диапазон измеряемых давлений 0–25 МПа / Measurement of dynamic pressure in various media. Measured pressure range 0–25 MPa Усилитель / Amplifier AQ02-001 Преобразование высокоимпедансного пьезоэлектрического сигнала заряда в низкоимпедансный сигнал напряжения / Converting a high-impedance piezoelectric charge signal to a low-impedance voltage signal Модульная USB-система сбора данных NI COMPACT DAQ / Modular USB data acquisition System NI COMPACT DAQ NI cDAQ-9178 Четырехканальный модуль измерения динамических сигналов вибрации и акустики NI 9234 / Four-channel dynamic vibration and acoustic signal measurement module NI 9234 Датчик контроля частоты вращения / Rotation speed control sensor DI6001 Индуктивный датчик бесконтактного действия. Диапазон частоты вращения 0–6 000 мин–1 / Inductive sensor of non-contact action. Speed range 0–6,000 min–1 Измеритель-регулятор микропроцессорный / Microprocessor regulator meter ТРМ 148 Измерение и автоматическое регулирование температуры / Temperature measurement and automatic control Программное обеспечение / Software NI NI использует автоматизацию для быстрого выполнения измерений и оценки результатов тестирования / NI uses automation to perform quickly measurements and evaluate test results Автотракторный дизель / Autotractor diesel engine Д-245.5S2 / D-245.S2 Мощность 70 кВт / Power 70 kW Нагрузочный, электротормозной стенд с балансирной маятниковой машиной / Load electric brake stand with pendula RAPIDO SAK N670 Нагрузочный стенд оборудован устройствами и приборами для экспериментальных исследований / The loading stand is equipped with devices for experimental research balancing

Предварительное воздействие на топливо осуществлялось при помощи нагревательного устройства, которое устанавливалось на топливопроводе высокого давления перед форсунками. Контроль нагрева ДТ до температур 150 и 300 ºС фиксировался с помощью термопар, которые устанавливались между нагревательными элементами и форсунками. Термопары подключались к восьмиканальному измерителю-регулятору.

Контроль нагрева топлива до нужной температуры корректировался регулятором мощности.

При использовании активированного топлива установочный угол опережения впрыскивания топлива соответствовал максимальному значению эффективного КПД.

Для снятия экспериментальных данных использовался датчик динамического давления PS-01 с пьезокварцевым чувствительным элементом, выдающий заряд в пКл. Резьбовой датчик PS-01 устанавливается в камеру сгорания (гнездо от свечи накаливания). Сигнал от заряда по высокоскоростному проводу передается на усилитель для преобразования высокоимпедансного сигнала и получения его в вольтах с коэффициентом трансформации 1 пКл в 1 мВ. После преобразователя сигнал поступает в устройство сбора данных с модульной системой в блок, позволяющий работать с датчиками-акселерометрами. Устройство сбора данных и программное обеспечение обслуживаются системой NI. Прибор подключается к персональному компьютеру через порт USB. Данное программное обеспечение позволяет получить на экране монитора зависимость преобразованного сигнала в мВ от времени в дифференцированной форме записи, а также формировать полученные экспериментальные данные в таблице Excel.

Также к устройству сбора данных (в тот же модульный системный блок) подключался индуктивный датчик, который фиксирует положение поршня

Том 31, № 3. 2021

в верхней мертвой точке (ВМТ). Подключенный датчик динамического давления PS-01 и индуктивный датчик представлены на рисунке 2.

Результаты исследования

По результатам экспериментального исследования были построены индикаторные диаграммы при номинальной частоте вращения n = 1 800 мин^-1, а также графики тепловыделения при работе двигателя на предварительно подогретом ДТ до 150 и 300 °С. При анализе полученных совмещенных индикаторных диаграмм (рис. 3) наблюдается уменьшение периода задержки воспламенения (уменьшение угла φ_i ). Известно, что при высокотемпературном воздействии на ДТ изменяются его физические и химические свойства. Происходит процесс распада углеводородных молекул по связям углерода при температуре выше 250 ºС. Изменяется процесс смесеобразования. Расчетные значения топливного факела при нагреве характеризуются увеличением угла распы-ливания, изменением длины топливной струи и уменьшением объемно-поверхностного диаметра капель топлива [23]. Уменьшение периода задержки

a)                                                         b)

Р и с. 2. Подключение датчиков: а) индуктивный датчик DI6001; b) датчик динамического давления PS-01

F i g. 2. Connection of sensors: a) inductive sensor DI6001; b) dynamic pressure sensor PS-01

356                                       Процессы и машины агроинженерных систем воспламенения снижает скорость нарастания давления в цилиндре двигателя и снижает жесткость процесса сгорания.

Анализ индикаторных диаграмм показал, что работа дизеля с предварительным подогревом сопровождается понижением максимального давления цикла Pz. Значение Pz = 10,704 МПа соответствует работе двигателя без подогрева ДТ, а с подогревом составляет Pz = 10,513 МПа и Pz = 10,126 МПа при 150 и 300 °С ДТ соответственно. Максимальное значение давления цикла Pz достигается при 12 градусах поворота коленчатого вала (ПКВ) после ВМТ, а при подогреве ДТ до температур 150 и 300 ºС – при 9,5 и 9,0 градусах ПКВ после ВМТ. Применение подогрева ДТ позволяет снизить максимальную температуру цикла на 40-60 К, что приведет к снижению теплонапряженности в цилиндрах двигателя и повысит ресурс его работы.

При анализе графиков (рис. 4) полного х и активного / . выделения теплоты при работе дизельного двигателя на номинальном режиме можно сделать вывод, что процесс сгорания начинается раньше. В ВМТ доля активного тепловыделения составляет χ_i = 0,282, а при подогреве ДТ до 150 и 300 ºС она имеет значения 0,351 и 0,325 соответственно. По графикам динамики тепловыделения видно, что процесс сгорания при подогреве ДТ активизируется и заканчивается раньше.

______Дизельное топливо 150 °C / Diesel fuel 150 °C

............ Дизельное топливо 300 °C / Diesel fuel 300 °C

Р и с. 3. Совмещенные индикаторные диаграммы дизельного двигателя Д-245.585 при частоте вращения n = 1 800 мин^–1: 1 ‒ угол опережения впрыскивания

(до верхней мертвой точки) дизельного топлива Θ

F i g. 3. Combined indicator diagrams of a D-245.5S5 diesel engine at a speed of n = 1,800 min^–1:

1 ‒ injection advance goal (up to top dead center) of diesel fuel Θ

______Дизельное топливо 150 °C / Diesel fuel 150 °C

............ Дизельное топливо 300 °C / Diesel fuel 300 °C

Р и с. 4. Влияние предварительного подогрева ДТ на характеристики тепловыделения двигателя Д-245.585: 1 - верхняя мертвая точка

F i g. 4. Effect of diesel preheating on the heat release characteristics of the D-245.5S5 engine:

1 ‒ upper dead center

Скорость тепловыделения ( dχ / dφ )_max в кинетической фазе резко возрастает и в максимуме имеет значение при работе двигателя без подогрева ( dχ / dφ )_max = = 0,1239, а с подогревом ДТ до 150 и 300 °С равна 0,0893 и 0,0878 соответственно.

Первый максимум скорости тепловыделения обусловлен быстрым сгоранием паров ДТ с окислителем, которые образуются за период задержки воспламенения, а также за счет скорости предпламенных реакций. В камере сгорания имеются локальные зоны с избытком паров топлива и окислителя: в первом случае быстро расходуется окислитель, во втором – пары топлива, что приводит к резкому снижению скорости тепловыделения6 [2; 24; 25].

Скорость тепловыделения в диффузионной фазе при работе двигателя без подогрева составила 0,0549, а с подогревом ДТ до 150 и 300 ºС – 0,0397 и 0,0355 соответственно. В данной фазе основную роль играет скорость диффузии окислителя с парами топлива.

Изменение характера тепловыделения прослеживается на графике

Vol. 31, no. 3. 2021 максимальных температур (рис. 4). При работе двигателя в номинальном режиме без подогрева ДТ температура в камере сгорания составляет T = max

= 2 561 К, а при работе с подогревом ДТ до 150 и 300 ºС температура равна 2 427 и 2 409 К соответственно.

Обсуждение и заключение

На основе проведенных исследований выявлены зависимости показателей процесса сгорания топлива дизельного двигателя с подогревом до высоких температур.

Полученные индикаторные диаграммы позволяют сделать вывод о влиянии температуры подогрева топлива на процесс сгорания. Работа дизеля с предварительным подогревом

топлива сопровождается понижением максимального давления цикла P_z . Уменьшается период задержки воспламенения, что снижает скорость нарастания давления в цилиндре двигателя и жесткость процесса сгорания. В связи с изменением показателей процесса сгорания и тепловыделения возможно предположить повышение эффективности рабочего процесса в двигателе.

Анализ графиков динамики тепловыделения при работе дизельного двигателя на номинальном режиме позволяет сделать вывод, что процесс сгорания эффективен. Активное тепловыделение χ_i предварительно подогретого ДТ до 150 ºС немного меньше по сравнению с активным тепловыделением при подогреве.

(дата обращения: 26.03.2021). – Рез. англ.

Поступила 30.04.2021; одобрена после рецензирования 19.05.2021; принята к публикации 27.06.2021

Об авторах:

Карташевич Анатолий Николаевич, научный сотрудник кафедры технологии машиностроения ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет» (610000, Российская Федерация, г. Киров, ул. Московская, д. 36), доктор технических наук, профессор, ORCID: https:// orcid.org/0000-0002-3649-1521

Мотовилова Марина Владимировна, аспирант кафедры технологии машиностроения ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет» (610000, Российская Федерация, г. Киров, ул. Московская, д. 36), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6857-3126

Благодарности: работа выполнена в рамках договора о научно-техническом сотрудничестве между ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет» и УО «Белорусская государственная орденов Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия». Авторы выражают благодарность всем участникам договора за помощь в проведении стендовых испытаний.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.