Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
The results of a heat generation characteristic calculation according to a specified law of fuel feeding on the program developed in Microsoft Excel environ-ment are shown. There is obtained an experimental confirmation of the model of the interconnection be-tween fuel feeding and heat generation in the cylinder of D243E diesel engine.
diesel engine, calculation program, law of fuel feeding, heat generation characteristics, program test verification
Характеристики процесса сгорания в дизельных двигателях внутреннего сгорания с объемным и объемно-пленочным смесеобразованием зависят от динамики и структуры факелов распыленного топлива, их числа и ориентации в пространстве, взаимодействия факелов с воздушным зарядом цилиндра и стенками камеры сгорания. Это необходимо учитывать при разработке математической модели смесеобразования и сгорания в дизельных двигателях, а также при решении практических вопросов по интенсификации, оптимизации и управлению характеристиками процесса сгорания [1-6]. При этом достоверность математической модели и эффективность практических решений зависят от того, насколько точно учтены особенности динамики и структуры факелов распыленного топлива в дизельном двигателе.
Методы экспериментального исследования характеристик распыливания топлива дизельными форсунками не дают полной информации о динамике и структуре нестационарной импульсной струи топлива, впрыскиваемой в высокотемпературную среду с переменной плотностью, особенно при начавшемся горении. Такие исследования проводятся, как правило, на специальных безмоторных моделирующих установках (дизельных бомбах). Так как измерить параметры топливного факела непосредственно в цилиндре работающего дизельного двигателя технически трудно из-за высоких давлений и температур цикла, излучения пламени, нестабильности впрыска топлива от цикла к циклу и др., известны только отдельные попытки изучения динамики и структуры топливных факелов непосредственно на работающем дизельном двигателе или его модели путем киносъемки факела и стробоскопического отбора проб газового топлива в различных точках поперечного сечения факела.
Для исследования процессов распыливания топлива в дизельных бомбах применяют фотографирование и киносъемку топливного факела, отбор топлива из различных его зон с помощью сотовых уловителей или трубчатых зондов, улавливание капель распыленного топлива на законченную пластинку. Фото- и кинорегистрация дает представление о геометрии топливного факела и динамике ее изменения, но почти не раскрывает внутреннюю структуру в связи с его высокой оптической плотностью. Вследствие этого практически не дают дополнительной информации о структуре топливного факела дизельных двигателей и более сложные методы: шлирен-метод и голография. Отбор топлива зондами и впрыск на пластинки позволяют определить распределение потоков жидкого топлива на различных расстояниях от оси факела или сопла и дисперсность распыливания, суммарную за период впрыска. Таким образом, измерения также не дают представления о внутренней структуре факела в различных его сечениях и динамике ее изменения. Полезную информацию о дисперсности распыленного топлива в определенном сечении факела можно получить с помощью установки со стробоскопическим приспособлением в виде вращающегося диска со щелью, через которую в определенный момент впрыска только часть факела попадает на улавливающую пластинку, расположенную за диском. Однако получаемые таким методом данные недостаточно достоверно отображают действительную структуру факела в его поперечном сечении, так как взаимодействие топливной струи с диском стробоскопа нарушает нормальное развитие факела, а в связи с различием скоростей капель в его поперечном сечении диск стробоскопа вырезает из факела объем в форме эпюры скоростей капель. Вследствие этого основную часть массы топлива, улавливаемого на пластинку, составляют капли, летящие с большой скоростью в плотном осевом потоке струи.
В многочисленных исследовательских работах отечественных и зарубежных авторов, в том числе в [1; 3-5], рассмотрены кинетические уравнения испарения и выгорания распыленного топлива в цилиндре дизельного двигателя, учитывающие характеристики впрыска и распыливания топлива, параметры заряда цилиндра, физико-химические характеристики топлива, особенности его испарения в дизельном двигателе, кинетику цепных реакций в неоднородной топливовоздушной смеси. На основании аналитических и эмпирических зависимостей протекания указанных процессов разработан метод расчета процесса сгорания топлива и характеристик тепловыделения в дизельных двигателях [5].
По рассмотренной методике была разработана программа расчета характеристик тепловыделения по заданному закону подачи топлива в среде Microsoft Excel. Выполненный расчет для дизельного двигателя Д243E подтвердил хорошее согласование расчетных характеристик тепловыделения и индикаторных диаграмм с экспериментальными данными.
Исходные данные для расчета (дизельный двигатель Д243E):
Молекулярная масса воздуха m=28,9 кг/кмоль.
Диаметр цилиндра D=0,110 м.
Ход поршня S=0,125 м.
Постоянная КШМ λ=R/L=0,2717.
Степень сжатия ε=16.
Количество сопловых отверстий форсунки ic= 6.
Диаметр сопловых отверстий dc=0,2 мм.
Длина свободного пролета факела Lст=0,038 м.
Характеристики топлива:
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива M0=0,5 кмоль.
Плотность топлива (при 323 К) ρт = 825 кг/м3.
Динамический коэффициент вязкости топлива (при 323 К) μт = 3·10-3 Па·с.
Коэффициент поверхностного натяжения топлива (при 323 К) ζт = 28·10-3 Н/м.
Коэффициенты расчетных формул:
Константа времени испарения крупных капель Az =4,6 c-1.
Коэффициенты уравнения безразмерной характеристики впрыска топлива
σ = f(Ф): a=3,9; b=1,73; c=3,5; m1=1,5; m2=2; m3=2; m4=4; Ф1=0,333.
Коэффициенты уравнения характеристики тепловыделения на участке топливоподачи:
a0= 4·10-3 м3/(кг·с); a1=10-3 с; a2=15 м3/(кг·с); b0=0,1.
Коэффициент турбулизации заряда Ту=1.
Минимальное значение степени использования воздушного заряда цилиндра ξво=0,42; её абсцисса Фz0=0,33.
Условная энергия активации предпламенных реакций Ea=23,8·103 кДж/кмоль.
Коэффициент в формуле расчета среднего диаметра капель E32=1,7.
Коэффициент поправочной функции константы испарения топлива y=1.
Коэффициент в формуле определения дальнобойности топливного факела Dф=2,9.
Коэффициент в формуле угла конуса топливного факела Aст=0,0055.
Степень уменьшения скорости испарения топлива на стенке (минимальная) χ0 =0,7.
Параметры режима работы двигателя:
Частота вращения вала двигателя n =1500 мин-1.
Давление продувочного воздуха (абс.) Ps =0,09 МПа.
Температура наддувочного воздуха Ts =315 К.
Коэффициент наполнения ηv=0,96.
Коэффициент остаточных газов γ=0,05.
Коэффициент избытка воздуха при сгорании αр=1,86.
Продолжительность впрыска топлива φвпр=29°пкв.
Момент (угол поворота коленчатого вала до ВМТ) начала впрыска топлива φн=17°пкв.
Цикловая подача топлива Gц=1,247·10-4 кг.
Недожог топлива (в долях от цикловой подачи) Δт=0,01.
Момент (угол поворота коленчатого вала) окончания расчета тепловыделения по уравнениям участка топливоподачи φк=90°пкв.
Расчет характеристик тепловыделения
- Расчет параметров заряда:
Рабочий объем цилиндра 
, м3.
Объем камеры сжатия 
, м3.
Количество свежего заряда 
, кмоль.
Количество газов в цилиндре 
, кмоль.
Цикловая подача топлива (если в исходных данных Gц=0).
Коэффициент избытка воздуха при сгорании (если в исходных данных Gц=0).
- Расчет констант испарения топлива:
Средняя скорость истечения топлива из распылителя форсунки
, м/с.
Критерий М, 
.
Критерий Вебера 
.
Плотность заряда в конце условного сжатия 
, кг/м3.
Симплекс 
.
Средний поверхностный диаметр капель
, мкм.
Давление в цилиндре в конце условного сжатия 
, МПа.
Константа испарения топлива 
, м2/с.
Относительная константа испарения топлива (теоретическая)
, c-1.
Поправка, учитывающая фактические условия испарения, 
=1.
Относительная константа испарения (действительная) 
, с-1.
Расчет временных и угловых параметров диаграммы
Объем цилиндра в момент начала впрыска топлива,
м3,
где 
.
Давление газов в момент φн
, МПа.
Температура газов в момент φн
, К.
Период задержки воспламенения
, с;
,°пкв.
Момент воспламенения
,°пкв.
Момент окончания впрыска топлива 
,°пкв.
Продолжительность испарения и сгорания крупных капель 
, с.
Продолжительность сгорания 
,°пкв.
Момент окончания горения 
,°пкв.
Момент достижения факелом стенки камеры сгорания
, с;
,°пкв.
Продолжительность взаимодействия фронта факела со стенкой
,°пкв.
Коэффициент в формуле, определяющей характер испарения топлива на стенке,
.
Расчет характеристик впрыска и испарения топлива
Текущий ход поршня
.
Относительное время впрыска (рис. 1)
.
Доля впрыснутого топлива:
Интегральная характеристика впрыснутого топлива (рис. 2)
Текущее время от начала впрыска 
.
Квадрат относительного диаметра испаряющейся капли
при 
.
Степень уменьшения скорости испарения топлива на стенке:
если 
Относительное время взаимодействия фронта факела со стенкой:
если 
.
Степень уменьшения скорости испарения топлива на стенке:
.
Скорость испарения топлива (рис. 3):
,
.
Доля испарившегося топлива (рис. 4)
.
 |
|||
 |
|||
 |
Доля паров, образовавшихся за период задержки воспламенения,
.
Расчет характеристик тепловыделения на участке топливоподачи
Коэффициенты расчетных формул:
.
Объем цилиндра в момент воспламенения 
:
Тепловыделение при начальной вспышке топлива 
:
- функция выгорания паров топлива, образовавшихся за τi (рис. 5),
;
- скорость тепловыделения
;
- доля выгоревших паров топлива, образовавшихся за период задержки воспламенения,
;
- общая доля выгоревшего топлива
.
Тепловыделение после вспышки топлива 
:
- скорость догорания топлива
;
- относительная скорость тепловыделения
;
- доля выгоревшего топлива
.
Расчет характеристик тепловыделения на участках развитого горения и догорания
Коэффициент 
.
Коэффициент 
.
Параметры точки φк:
Показатели процесса сгорания на участке 
:
- относительная продолжительность горения
;
- степень использования воздушного заряда
;
- текущее значение коэффициента избытка воздуха в зоне горения
;
- относительная скорость тепловыделения (рис. 6)
;
- доля выгоревшего топлива (рис. 4, 6)
.
Таким образом, разработанная программа расчета характеристик тепловыделения по заданному закону подачи топлива в среде Microsoft Excel позволяет получить исчерпывающие количественные значения характеристик тепловыделения в цилиндре двигателя. Выполненный расчет для дизельного двигателя Д243E подтвердил хорошее согласование расчетных характеристик тепловыделения и индикаторных диаграмм с экспериментальными данными.
1. Alemasov, V.E. Osnovy teorii fiziko-himicheskih processov v teplovyh dvigatelyah i energeticheskih ustanovkah / V.E. Alemasov [i dr.]. - M.: Himiya, 2000. - 520 s.
2. Dvigateli vnutrennego sgoraniya: uchebnik: v 3 kn. / V.N. Lukanin, I.V. Alekseev, M.G. Shatrov [i dr.]; pod red. V.N. Lukanina. - M.: Vyssh. shk., 1995.
3. Dmitrievskiy, E.V. Elektronnoe upravlenie dvigatelyami vnutrennego sgoraniya: ucheb. posobie / E.V. Dmitrievskiy, A.A. Obozov, M.A. No-vikov. - Bryansk: BGTU, 2018. - 195 s.
4. Ivanchenko, N.N. Rabochiy process dizeley s kameroy v porshne / N.N. Ivanchenko, B.N. Semenov, V.S. Sokolov. - L.: Mashinostroenie, 1972. - 228 s.
5. Razleycev, N.F. Modelirovanie i optimizaciya processa sgoraniya v dizelyah / N.F. Razleycev. - Har'kov: Izd-vo Har'kov. un-ta, 1980. - 169 s.
6. Rogalev, V.V. Kursovoe proektirovanie dvigateley vnutrennego sgoraniya: Teplovoy raschet: ucheb. posobie / V.V. Rogalev, E.V. Dmitrievskiy. ̶ Bryansk: BGTU, 2017. ̶ 131 s.
