dis_volkova_l_yu

91

дет путь 120 мм до стенки КС двигателя 16ЧН 26/26. Данному времени будет соответствовать угол, равный 9 о (период задержки воспламенения).

Рисунок 3.10 – Зависимость длины факела распыленного топлива от давления и времени его выхода из соплового отверстия:

1 – 30 МПа; 2 – 50 МПа; 3 – 100 МПа; 4 – 150 МПа

За время, равное задержке воспламенения, передний фронт распыленного топлива должен пройти путь от сопловых отверстий форсунки до стенки КС.

Длина топливного факела должна быть согласована с периодом задержки вос-

пламенения [72]. При слишком большой дальнобойности топливо скапливается на стенке КС, образуя пленку, что ухудшает ее сгорание. При малой дально-

бойности распыленное топливо находится вблизи форсунки, не заполняет объ-

ем КС, не использует полностью кислород воздуха в процессе горения.

В таблице 3.5 указана длина факела, определенная по формуле (3.21), в за-

висимости от времени задержки воспламенения (см. рисунок 3.10).

При диаметре цилиндра 0,26 м (двигатель 16ЧН 26/26), расстоянии 0,12 м

от распылителя до стенки камеры (см. рисунок 3.9) оптимальное время задерж-

ки воспламенения будет равно 0,0015 с. Время задержки самовоспламенения и время перемещения топливного факела от распылителя до стенки КС будут равны друг другу. При неисправности ТА (снижение давления, образование кокса в сопловых отверстиях) изменяется дальнобойность топливного факела и ухудшается процесс сгорания.

92

Т а б л и ц а 3.5 – Путь факела (длина) в зависимости от времени

На рисунке 3.11 показаны расчетные значения длины факела Lф для дав-

лений топлива перед сопловыми отверстиями равных 30, 50, 100, 150 МПа в за-

висимости от диаметра соплового отверстия dc. Из анализа рисунка 3.11 следу-

ет, что при уменьшении dc (в результате закоксовывания) снижается Lф, что нарушит процесс смесеобразования топлива с воздухом и приведет к ухудше-

нию сгорания топлива. Расчет выполнен для частоты вращения вала насоса

500 мин-1, продолжительности впрыскивания топлива, равной 15 о или времени

0,005 с.

Рисунок 3.11 – Изменение длины факела распыленного топлива Lф в зависимости от диаметра соплового отверстия dc:

1– Рс =150 МПа; 2 – Рс = 100 МПа; 3 – Рс = 50 МПа; 4 – Рс = 30 МПа

93

3.5. Уточнение методики расчета рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания

Тепловой расчет двигателя выполняется с целью определения давления,

температуры в цилиндре, оценки доли выгоревшего топлива во время сгорания и скорости выгорания поданного топлива в камеру сгорания. По анализу ре-

зультатов расчета определяют технико-экономические показатели дизеля в за-

висимости от изменения конструктивных, регулировочных параметров его си-

стем и механизмов.

На рисунке 3.12 приведена блок-схема теплового расчета дизеля.

Выбор двигателя - прототипа

Нет

Ввод исходных данных

Расчет процесса наполнения

Расчет процесса сжатия и начало воспламенения

Расчет процесса сгорания по методике профессора И. И. Вибе

Расчет процесса выпуска

Расчет технико-экономических показателей двигателя

да

Распечатка результатов расчета

Распечатка индикаторной диаграммы

Распечатка графика изменения Р и Т в процессе горения

Распечатка графика выгорания топлива

Конец

Рисунок 3.12 – Блок-схема теплового расчета дизеля

94

На рисунке 3.13 показаны расчетные значения изменения давления Р,

температуры Т, доли (части) выгоревшего топлива Х и относительной скорости выгорания топлива WO в цилиндре дизеля 16ЧН 26/26 при угле опережения впрыска топлива 27 о поворота коленчатого вала до ВМТ.

Тепловой расчет выполнен по методу Гриневецкого–Мазинга–Вибе [76] с

использованием программ расчета [77, 78, 79]. В качестве исходных данных принят коэффициент избытка воздуха 1,85, давление наддува 0,28 МПа, сте-

пень сжатия 12,5, температура остаточных газов 876 К, частота вращения ко-

ленчатого вала 1 000 мин -1, номинальная мощность 2 944 кВт, литраж двигате-

ля 220,75 л, показатель характера сгорания 1,0 [76].

Рисунок 3.13 – Изменение давления Р, температуры Т, доли выгоревшего топлива Х, относительной скорости выгорания топлива WО в цилиндре дизеля 16ЧН 26/26

на режиме номинальной мощности

В результате расчета определены: максимальное давление сгорания

13 МПа, средняя скорость нарастания давления 0,3 МПа/град, максимальная температура сгорания 1 785 К, среднее эффективное давление 1,6 МПа, эффек-

тивный КПД 0,43, эффективный расход топлива 0,2 кг/(кВт·ч), часовой расход

95

топлива 588 кг, номинальная мощность 944 кВт. Результаты расчета не отли-

чаются от технико-экономических показателей дизеля 16ЧН 26/26, полученных экспериментальным путем (погрешность расчета не превышает 5 %) [80].

Процесс сгорания топлива в дизельных двигателях (рисунок 3.14) условно разбит на 4 фазы:

1) индукционный период (период задержки воспламенения поданного топли-

ва, от точки 1 до точки 2);

2)период резкого нарастания давления (от точки 2 до точки 3);

3)период основного горения (от точки 3 до точки 4, которая находится на пе-

ресечении с максимальным значением температуры в цилиндре);

4) период догорания (от точки 4 до точки 5) [81, 82, 84].

Рисунок 3.14 – Осциллограммы изменения хода иглы А, линии сжатия В, давления С и температуры в цилиндре D:

1 – начало подачи топлива; 1–2 – индукционный период; 2 – отрыв линии сгорания от линии сжатия; 2–3 – резкое

нарастание давления в цилиндре; 3 – максимальное давление в цилиндре; 3– 4 – период основного горения; 4 – максимальная

температура в цилиндре; 4–5 – линия догорания топлива

96

Индукционный период начинается от момента подачи топлива (точка 1) до начала горения (точка 2). Период резкого нарастания давления наблюдается от начала горения (точка 2) до максимального давления в цилиндре (точка 3). На данном участке определяют жесткость процесса сгорания. Период основного горения продолжается от максимального давления до максимальной темпера-

туры в цилиндре двигателя (точка 4).

По анализу индикаторной диаграммы рабочего процесса можно судить о состоянии поршневой группы и механизма газораспределения [23, 38, 71]. По эталонной индикаторной диаграмме сравнительным способом определяют воз-

можные неисправности двигателя (износ поршневой группы, неверный угол опережения впрыска топлива, неточность цикловой подачи).

Диаграмму сжатия (см. рисунок 3.14 линия В) получают при индицирова-

нии без подачи топлива в цилиндр двигателя.

Расположение точки 3 (максимального давления в цилиндре) относительно верхней мертвой точки (ВМТ) зависит от значения угла опережения подачи топлива и его нормативной величины. У быстроходных дизелей точка 3 на диаграмме располагается за 5 – 10 о после ВМТ.

В работе [84] приведена методика построения индикаторной диаграммы двигателя с использованием текущей степени сжатия и текущей степени рас-

ширения.

Для экспериментального определения давления в цилиндре двигателя предложена конструкция тензометрического датчика [84], который позволяет определять техническое состояние двигателя и ТА. Датчик показан на рисунке

3.15. Чувствительный элемент 2 состоит из двух мембран, жестко соединенных между собой штоком. Между мембранами установлена разрезная распорная втулка 4 с отверстиями для подвода охлаждающей жидкости. На мембране наклеен рабочий тензоэлемент 7 , а компенсационный 8 – на гайке 6. Датчик при помощи усилителя, АЦП и ПК записывает изменение давления в зависи-

мости от угла поворота коленчатого вала двигателя. Возможно применение

97

других датчиков (выпускаемых серийно) для измерения давления газов в ци-

линдре.

На процесс сгорания топлива в КС наибольшее влияние оказывает каче-

ство работы топливной аппаратуры – неточность угла опережения впрыска и цикловой подачи, неравномерная подача топлива по цилиндрам, ухудшение распыливания топлива в КС, потеря подвижности иглы распылителя, образова-

ние коксовых отложений в каналах сопловых отверстий распылителя.

Рисунок 3.15 – Тензометрический датчик для измерения давления в цилиндре дизеля

Эффективные показатели дизеля значительно зависят от показателя сгора-

ния топлива m, который характеризует изменение во времени относительной плотности эффективных центров, воспламеняющихся в процессе сгорания, и

определяет долю (часть) топлива, сгоревшую к моменту достижения наиболь-

шей скорости сгорания. Примерное значение доли сгоревшего топлива к мо-

менту достижения максимума скорости сгорания равно 0,265 [76].

Параметр m связан с фактором жесткости работы двигателя. При малых значениях m имеет место более бурное развитие сгорания в первых фазах с по-

вышенной скоростью нарастания давления. Параметр m можно характеризовать как кинетическую константу реакции сгорания, оценивающую качественную сторону процесса сгорания.

98

Показатель сгорания m определяет характер развития процесса сгорания и зависит от вида топлива, качества распыливания, угла опережения впрыска,

процесса смесеобразования, степени сжатия и давления наддува. В современ-

ных дизелях с объемным смесеобразованием и высокой турбулентностью сго-

рания величина m лежит в пределах от 0 до 1,5. Продолжительность сгорания достигает 60 − 75 о поворота коленчатого вала.

Сгорание дизельного топлива происходит по следующей схеме: эффектив-

ный центр плюс молекула топлива, прогрев, испарение, внедрение кислорода,

самовоспламенение, разрыв связей молекулы топлива, выделение теплоты, об-

разование молекул конечного продукта сгорания.

Уравнение выгорания топлива, поданного форсункой в распыленном виде в камеру сгорания, зависит в основном от характера сгорания m и отношения величины текущего времени t к продолжительности сгорания tZ [76]:

На рисунке 3.16 показаны зависимости изменения доли сгоревшего топ-

лива Х от величины m и относительного времени t/tz (текущее и время сгора-

ния топлива) [71]. Данную характеристику назовем интегральной, так как по ней определяют суммарное количество выгоревшего топлива в любой момент

времени.

Теплота, которая выделилась в процессе сгорания к данному моменту вре-

мени, пропорциональна количеству сгоревшего топлива к этому моменту:

эффициент, учитывающий потерю теплотворной способности топлива в ре-

зультате его неполного сгорания (недостаток кислорода, несовершенное сгора-

ние); Hи – низшая теплотворная способность топлива (для дизельного топлива

42·106 Дж / кг; Gтц – количество топлива, поданное в цилиндр двигателя за один цикл; X – доля (часть) топлива, сгоревшая за время t.

99

Скорость сгорания топлива (1/с) находится по выражению (3.26), а её изме-

нение от величины m и относительного времени t/tz показаны на рисунке 3.17

[71, 76].

Рисунок 3.16 – Зависимость доли сгоревшего топлива от величин m и t/tz

Рисунок 3.17 – Зависимость скорости сгорания от величин m и t/tz

100

Данную характеристику назовем дифференциальной, так как по ней опре-

деляют часть сгоревшего топлива в данный момент времени. Под кривой,

например, с m =1 определяют общее количество сгоревшего топлива.

Для определения давления и температуры весь процесс сгорания [от точки

2 до точки 5 (см. рисунок 3.14)] топлива разбиваем на отдельные небольшие участки. Для каждого участка (например, 1–2) уравнение первого закона тер-

модинамики будет иметь вид

где q12 − использованная теплота сгорания топлива, приходящаяся на участок

1 2; cv 1 2 − средняя теплоемкость при постоянном объеме на участке 1 2;

T1 и T2 − абсолютная температура в начале и в конце участка 1 2.

Принимая разность аргументов v1 – v2 (удельных объемов) достаточно ма-

лой, можно записать

где qz − общая удельная использованная теплота сгорания.

Заменим в выражении (3.28) значения температуры соответствующим давлением, используя уравнение состояния газа pv = RT. Применяя дополни-

тельно уравнение cp cv = R и введя отношение средних теплоемкостей на участке 1 2, равных к = cp / cv , вычислим значение р2 (величина р1 известна).

Определив давление, находим температуру сгорания топлива по методике [76].

С использованием данной методики уточнен тепловой расчет, позволяю-

щий определять долю сгоревшего топлива, скорость сгорания, температуру и давление в цилиндре дизельных двигателей. Программа позволяет выполнять расчеты при изменении начала сгорания топлива.