Индикаторная диаграмма и Расчет динамичности цикла дизеля при работе на нефтяных и альтернативных видах топлива и топливных смесях

Рабочий процесс, протекающий в цилиндрах дизеля, определяет основные показатели двигателя – мощность, удельный расход топлива, максимальные нагрузки в деталях и температурное состояние деталей цилиндропоршневой группы. Главные задачи при исследовании рабочего процесса состоят в установлении зависимостей основных его показателей от различных конструктивных факторов и выборе такого сочетания конструктивных параметров, при которых достигаются наилучшие показатели рабочего процесса.

Основным экспериментальным материалом, служащим для оценки совершенства рабочего процесса, протекающего в цилиндре дизеля, является индикаторная диаграмма процесса и часовой расход топлива. Из индикаторной диаграммы можно получить при соответствующей обработке большинство параметров, характеризующих рабочий процесс, – среднее индикаторное давление ρ_i, давление сжатия ρ_с, максимальное давление сгорания ρ_z, скорость нарастания давления dρ/dφ характеристики тепловыделения в цилиндре дизеля (закон выгорания топлива x_i = f(φ), скорость тепловыделения dx_i/dφ = f(φ), продолжительность сгорания j_г, температуру газа в цилиндре в любой момент времени T = f(φ) и другие параметры. По часовому расходу топлива определяют средний индикаторный и средний эффективный (при известной эффективной мощности дизеля) расход топлива.

Таким образом, для оценки качества рабочего процесса дизеля основные параметры, подлежащие изменению, – это эффективная мощность (крутящий момент и частота вращения коленчатого вала), часовой расход топлива и индикаторная диаграмма.

Другая группа параметров определяет факторы, в различной степени влияющие на качество рабочего процесса.

Основными в этой группе параметров являются характеристики системы топливоподачи – продолжительность и закон подачи топлива, качество распыливания, а также расход воздуха и его температура, качество очистки цилиндра, температуры стенок камеры сгорания и т. д.

Важными регулирующими параметрами, характеризующими процесс сгорания топлива, являются давление и температура газов в цилиндре. Анализ процесса сгорания топлива производят по развернутой индикаторной диаграмме, снятой с цилиндра дизеля (рис. 3 и 4).

 

Рисунок 3 – Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля
(изменение давления в цилиндре при движении поршня в период за два оборота коленчатого вала):

периоды: 1–1¢ – угол опережения открытия впускного клапана; 2–2¢ – угол запаздывания закрытия впускного клапана; 3–3¢ – угол опережения подачи топлива; 5–5¢ – угол опережения открытия выпускного клапана; 6–6¢ – угол запаздывания закрытия выпускного клапана

 

 

Рисунок 4 – Развернутая индикаторная диаграмма двухтактного дизеля
(изменение давления в цилиндре при движении поршня в период оборота коленчатого вала)

 

Индикаторная диаграмма, снятая с двигателя, изображает собой действительный цикл с учетом потерь теплоты, а площадь индикаторной диаграммы – индикаторную работу цикла.

Индикаторная диаграмма в координатах p-V представляет собой зависимость давления в цилиндре от объема надпоршневого пространства за рабочий цикл.

Индикаторная диаграмма дает возможность объективно судить о протекании рабочего цикла и о качестве процесса сгорания топлива. Особенность индикаторной диаграммы заключается в том, что площадь индикаторной диаграммы пропорциональна работе, совершаемой в цилиндре газами. Следовательно, по величине площади диаграммы и числу циклов в единицу времени можно определить так называемую индикаторную мощность, развиваемую газами внутри цилиндра.

Индикаторная диаграмма давления в цилиндре двигателя – наиболее существенная часть экспериментального материала, используемого при исследовании рабочего процесса. В зависимости от целей исследования к индикаторам давлений предъявляют различные требования, которым полностью не удовлетворяет ни один из существующих индикаторов. Поэтому каждый из них используют лишь при решении определенного вида исследовательских задач.

Все существующие типы индикаторов могут быть классифицированы по виду записываемых диаграмм и по принципу работы.

В зависимости от вида записываемой диаграммы различают индикаторы, записывающие изменение давления в зависимости от перемещения поршня (свернутые диаграммы), и индикаторы, записывающие развернутую диаграмму, т. е. зависимость давления от времени или угла поворота коленчатого вала. Первый вид диаграмм наиболее удобен в эксплуатационных условиях для быстрого определения величины среднего индикаторного давления. Развернутые диаграммы необходимы для динамики тепловыделения, процесса газообмена и для решения других задач. Свернутые индикаторные диаграммы имеют погрешности, связанные с работой привода.

Для судовых малооборотных дизелей с частотой вращения до 400 об/мин можно применять практически все существующие типы индикаторов без каких-либо ограничений, и инерционные погрешности при снятии индикаторных диаграмм таких дизелей не имеют существенного значения.

Из всех типов индикаторов, применяемых в настоящее время, механические обладают наименьшей собственной частотой колебаний подвижной системы. Простота устройства и обслуживания и относительная быстрота получения индикаторных диаграмм и нахождения по ним величины среднего индикаторного давления определили их преимущественное применении в качестве основных эксплуатационных приборов на судовых малооборотных дизелях.

Существуют и применяются в практике исследовательских работ механические индикаторы для записи развернутых индикаторных диаграмм. В этих индикаторах привод барабана осуществляется с помощью пружины с часовым механизмом, который обеспечивает равномерное вращение барабана, а положение диаграммы по оси абсцисс (времени) определяется при помощи специального электрического отметчика верхней мертвой точки.

В настоящее время разработаны механические индикаторы с высотой записываемой диаграммы до 76 мм (фирма Добби Мак Иннес, Глазго) и надежной регистрацией диаграмм на двигателях с частотой вращения до 300 об/мин. Из-за самой конструкции механических индикаторов полезная высота диаграммы находится в обратной зависимости от жесткости пружины индикатора, определяемой частотой вращения двигателя. Точность определения индикаторных показателей механическим индикатором, зависящая от воспроизведения параметра инерционной системой индикатора и обработки (планиметрирования) полученных диаграмм, для малооборотных дизелей может оказаться достаточной даже для специальных исследовательских целей.

Применяют также модернизированные механические индикаторы, усовершенствование которых связано с получением электрического сигнала в функции давления. Для преобразования перемещения подвижной системы в электрический сигнал применяют индуктивные или тензометрические датчики.

Для того, чтобы судить о степени совершенства рабочего цикла, действительную индикаторную диаграмму, полученную на двигателе, сопоставляют с теоретической диаграммой, в которой для упрощения весьма сложного действительного цикла отдельные рабочие процессы заменены элементарными термодинамическими процессами, легко поддающимися исследованию. При упрощении явлений не учитывается ряд неизбежных потерь, имеющихся в действительном цикле, вследствие чего площадь термодинамической (теоретической) диаграммы всегда больше площади действительной диаграммы. Таким образом, термодинамический цикл является пределом, к которому следует стремиться при осуществлении действительного цикла.

В действительном цикле дизеля потери теплоты в процессе ее подвода и преобразования в работу являются неизбежными в силу ряда физико-химических и технических причин. Подвод теплоты к рабочему телу начинается еще до ВМТ в результате самовоспламенения и сгорания топлива, впрыснутого в среду сжатого воздуха. Давление сжатия у дизелей без наддува составляет (38-50)·10² кПа, у дизелей с наддувом – (45-100)·10² кПа, и температура соответственно 800-900K и 900-1000K, что превышает температуру самовоспламенения топлива примерно на 430-490 K.

Полный анализ индикаторной диаграммы с определением скорости сгорания и закона тепловыделения содержит большой объем вычислительных работ, что приводит к необходимости использования современных ЭВМ.

Сравнительную оценку характера воздействия нагрузок на детали цилиндропоршневой группы дизеля при сгорании топлива для разных двигателей или одного и того же двигателя, но при различных режимах его работы, обычно производят по максимальному давлению сгорания p_z, степени повышения давления , показателям динамичности (жесткости) рабочего цикла и фактору динамичности.

Степень повышения давления у малооборотных двигателей (МОД) находится в пределах 1,35-1,40, у среднеоборотных (СОД) и высокооборотных двигателей (ВОД) – 1,35-1,55, и определяется по снятым с цилиндров дизеля индикаторным диаграммам.

В качестве показателей динамичности цикла обычно принимают среднюю и максимальную скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала.

Средняя скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала определяется по зависимости, кПа/с:

, (1)

где Dp – приращение давления в цилиндре за угол Dj, соответствующий продолжительности второго периода сгорания, кПа;

j_z, j_c – соответственно величина угла поворота коленчатого вала в точках 2, z (рис. 3), °ПКВ;

m_p, m_j – масштабы давления, угла поворота коленчатого вала дизеля;

a_с – угол наклона секущей, проведенной через точки z – 2 (рис. 3), град.

Мягкая, спокойная работа без стуков в дизеле обеспечивается при w_ср=(2 – 6)·10² кПа/град. У судовых МОД w_ср редко превышает (1,4-1,6)·10² кПа/град. В форсированных ВОД допускается w_ср = (8-12)·10² кПа/град, но при этом возникают высокие динамические нагрузки, что ускоряет изнашивание подшипников и шеек кривошипно-шатунного механизма.

На рис. 6 приведены экспериментальные индикаторные диаграммы быстроходного транспортного дизеля на трех топливах с разными значениями ЦЧ. Из диаграммы следует, что с уменьшением значения ЦЧ (при неизменных регулировках топливной аппаратуры – угла опережения впрыска топлива и давления затяга пружины форсунки) характер изменения давления в цилиндре существенно меняется: значение максимального давления сгорания p_z увеличивается, а процесс сгорания смещается на линию расширения за счет увеличения периода задержки воспламенения. Мощностные и экономические показатели дизеля при этом будут ухудшаться.

Максимальную скорость нарастания давления при сгорании топлива определяют как первую производную изменения давления по углу поворота коленчатого вала на более крутом участке повышения давления в цилиндре (кПа/с):

, (2)

где a_m – угол наклона касательной к наиболее крутому участку индикаторной диаграммы, проведенной через точку начала горения топлива 2 (рис. 4).

Оценку динамичности цикла в общем случае производят по фактору динамичности, который представляет собой отношение количества топлива, впрыснутого за период задержки самовоспламенения b_цi, ко всему количеству топлива b_ц, впрыснутого за цикл:

. (3)

Рисунок 5 – Типичный характер развития процесса сгорания в дизеле (при работе на дизельном топливе (ГОСТ305-82)):

1 – Индикаторная диаграмма P=f(φ); Pc=f(φ); T = f(φ); Точка 3 – P_max; Точка 4 – Tmax; P_c – давление «чистого» сжатия; Точка 1 – начало впрыска; Точка 2 – начало воспламенения;

2 – Характеристика впрыска топлива форсункой (G=f(φ); dG/dφ=f(φ));

3 – Характеристика тепловыделения (χ=f(φ); dχ/dφ=f(φ)); φ_вп – угол опережения впрыска; θ_i – ПЗВ (период задержки воспламенения); θ_I – фаза быстрого сгорания; θ_II – фаза основного горения; θ_III – фаза догорания

Рисунок 6 – Влияние ЦЧ топлива на характер индикаторной диаграммы и динамичность цикла быстроходного дизеля:

1– топливо (ЦЧ52); 2 – топливо (ЦЧ42); 3 – топливо (ЦЧ29); θ_i1,θ_i2,θ_i3 - соответствующие значения длительности ПЗВ (периоды задержки воспламенения); А, B, С – точки касания касательных к наиболее крутым участкам индикаторных диаграмм; α₁, α₂, α₃ – углы наклона касательных; точки 2₁, 2₂, 2₃ – начало воспламенения топлив с разными значениями ЦЧ

 

От фактора динамичности в значительной степени зависят показатели рабочего цикла. Чем выше фактор динамичности, тем выше, при прочих равных условиях, значения показателей динамичности рабочего процесса, в том числе и при одинаковом виде топлив. У МОД и СОД фактор динамичности лежит в пределах s_впр = 0,3 – 0,5, у ВОД он достигает значений s_впр = 0,8 – 1,0.

При работе на тяжелых сортах топлив, при прочих равных условиях, динамичность рабочего цикла дизеля оказывается ниже, чем при работе на дизельных. Это объясняется, в основном, пониженной скоростью испарения тяжелых топлив, что обусловливает пониженную скорость тепловыделения. В связи с этим при использовании тяжелых топлив фактор динамичности оказывает меньшее влияние на динамичность рабочего цикла, чем при дизельных топливах.

Скорость нарастания давления при сгорании топлива снижается путем уменьшения фактора динамичности, а это достигается либо сокращением периода задержки самовоспламенения, либо изменением характеристики впрыскивания топлива.

Важнейший период цикла (фаза основного горения) соответствует периоду времени от момента достижения в цилиндре максимального давления p_z (точка z) до момента достижения максимальной температуры цикла T_max (рис. 3). Этот период характеризуется наиболее интенсивным процессом сгорания, протекающим по всему объему камеры сгорания при высокой скорости тепловыделения. От продолжительности этого периода и давления в цилиндре существенно зависит величина индикаторной работы.

В табл. 12 приведены результаты численного моделирования индикаторного процесса дизеля ЯМ3238ГМ2, конвертированного для использования в качестве главного судового двигателя, при работе на стандартном дизельном топливе (ДТ) по ГОСТ 305-82 и смесях этого топлива со сжиженным нефтяным газом (СНГ) в разных пропорциях (при регулировании топливной аппаратуры по дизельному топливу).

 

Таблица 12 – Результаты расчета показателей цикла дизеля

на сравниваемых топливах

Наименование параметра	Обозначение	Состав смеси
ДТ	25 % СНГ + 75 % ДТ	50 % СНГ + 50 % ДТ	75 % СНГ + 25 % ДТ
Давление сжатия	pc, кПа	4861,6	4861,6	4861,6	4861,5
Максимальное давление	pz, кПа	7705,84	7231,54	6336,84	4875,51
Давление в конце расширения	pb, кПа	391,7	399,2	411,2	435,1
Температура в конце расширения	Tb, K	838,2	853,6	878,5	929,0
Максимальная температура	Tmax, K	1514,03	1493,72	1458,58	1414,33
Давление наддува	pint, кПа	150,3	150,3	150,3	150,3
Коэффициент избытка воздуха	a	2,67	2,64	2,63	2,61

 

Анализ данных таблицы показывает, что с увеличением содержания СНГ в смеси максимальное давление цикла p_z уменьшается, а температура в конце расширения T_b увеличивается, но значение максимальной температуры цикла T_max уменьшается. Значение коэффициента избытка воздуха a уменьшается с повышением доли СНГ в смеси.

На рис. 7 приведены расчетные индикаторные диаграммы этого же дизеля на выбранной смеси 50 % ДТ и 50 % СНГ для дальнейших численных исследований.

Рисунок 7 – Свернутые индикаторные диаграммы
(расчетные дизеля ЯМЗ 238 ГМ2 на разных топливах)

 

На рис. 8 приведены развернутые индикаторные диаграммы с параметрами, приведенными в таблице.

Индикаторный процесс названного дизеля моделировался на ПЭВМ с помощью программы «Тритон», разработанной в Новосибирской государственной академии водного транспорта (НГАВТ) С. А. Калашниковым и О. Ю. Лебедевым и используемой на кафедре «Специальные технические дисциплины» Омского института водного транспорта (филиал НГАВТ) как в учебном процессе, так и в исследовательских целях.

Рисунок 8 – Развернутые индикаторные диаграммы дизеля ЯМЗ 238ГМ2

на разных топливах

 

Схемные, инженерные и технологические решения, их выбор и рекомендации, позволяющие реализовывать работу дизеля на СНГ и смесях, других АВТ, а также тяжелых топлив, были проанализированы нами ранее в работах.

 

Выводы.

1. Индикаторная диаграмма, снятая тем или иным типом индикатора с цилиндра дизеля, является наиболее достоверной информацией о процессах сгорания, топливоподачи и тепловыделения в двигателе и позволяет при соответствующей математической обработке получить весь комплекс показателей и параметров рабочего процесса.

2. Использование ПЭВМ и соответствующего программного обеспечения позволяет существенно сократить затраты времени и средств на доводку рабочего процесса дизеля, работающего на разных сортах топлива, в том числе альтернативного.

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЯХ. ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА И РЕКОМЕНДАЦИИ

С 1996 г. В Европе введены более жесткие ограничения на качество топлива. Наиболее жесткие требования к показателям качества дизельного топлива предложены скандинавскими странами: содержание серы не более 0,001%, полициклических ароматических углеводородов не более 0,02%, температура конца кипения не более 300 °С.

Производство дизельного топлива в РФ в последние годы составляет ~46-47 млн т/год, из них топлива с содержанием серы S < 0,20% – более 80%.

Топлива для быстроходных транспортных дизелей вырабатывают в основном из гидроочищенных фракций прямой перегонки нефти с добавлением легкого газойля каталитического крекинга. Дизельные топлива могут включать следующие группы углеводородов, % (об.): нормальные парафиновые – 5-30, изопарафиновые – 18-46, нафтеновые – 23-60, ароматические – 14-35.

По ГОСТ 305-82 вырабатывают три сорта дизельного топлива: «Л» (летние) – для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0 °С и выше, с температурой конца кипения t_KK не выше 360 °С; «3» (зимние) – для эксплуатации при температуре -20 °С и выше (температура застывания не выше -35 °С) и при -30 °С и выше (температура застывания не выше -45°С); t_KK не выше 340 °С; «А» (арктические) – для температуры окружающего воздуха -50 °С и выше с t_KK не выше 330 °С. Содержание серы в дизельном топливе марок J1 и 3 не должно превышать 0,2% для вида I и 0,5 % – для вида II, а марки А – 0,4%. Вырабатывают также дизельные экспортные топлива ДЛЭ и ДЗЭ с содержанием серы 0,05%.

Увеличение выпуска дизельных топлив возможно как путем повышения t_KK (топлива утяжеленного фракционного состава УФС), так и путем одновременного повышения t_KK и снижения температуры начала кипения t_HK (топлив расширенного фракционного состава РФС). Топлива типа УФС используют в качестве летних. С 1991 г. осуществляется производство экологически чистого дизельного топлива по ТУ 38.1011348-89 летнего (ДЛЭч-В и ДЛЭч) и зимнего (ДЗЭч) с содержанием серы до 0,05% (вид I) и 0,1% (вид И) и содержанием ароматических углеводородов не более 20% (ДЛЭч-В) и не более 10% (ДЛЭч). Кроме того, осуществляется выпуск городского дизельного топлива для использования в Москве (табл. 13). В городское топливо обязательно добавляют присадки: летом – антидымную (на основе бария), зимой – антидымную и депрессорную (улучшающую низкотемпературные свойства).

Таблица 13 – Свойства дизельных экологически чистых топлив

Показатели	Нормы для марок (по ТУ 38.401-58-170-96)
ДЭК-Л	ДЭК-3	ДЭКл-Л	ДЭКл-3 -20 °С
Цетановое число, не менее
Фракционный состав:
50% перегоняется при температуре, °С, не выше
96% перегоняется при температуре (конец перегонки, °С, не выше
Кинематическая вязкость при 20 °С, мм^2/с	3,0-6,0	1,8-5,0	3,0-6,0	1,8-6,0
Температура, °С, не выше:
застывания	-10	-35	-10	-35
предельной фильтруемости	-5	-25	-5	-25
Массовая доля серы, %, не более, в топливе:
вида 1	0,05	0,05	0,05	0,05
вида 2	0,10	0,10	0,10	0,10
Плотность при 20 °С, кг/м^3, не более

 

Для дизельных топлив важными эксплуатационными свойствами являются низкотемпературные свойства, испаряемость, самовоспламеняемость (воспламеняемость), прокачиваемость. Воспламеняемость дизельных топлив оценивают цетановым числом (ЦЧ) по ГОСТ 3122-67. Значение ЦЧ для марок дизельных топлив по ГОСТ 305-82 регламентировано величиной не менее 45 единиц.

Самовоспламеняемость топлива в дизеле является важнейшей характеристикой, определяющей длительность процесса, складывающегося из этапа подготовки топлива к сгоранию после впрыска и этапа развития последующего сгорания в цилиндре. Образование горючей смеси сопровождается протеканием ряда физических и химических процессов [18, 58].

Физические процессы: распад струи топлива на капли при выходе из форсунки; проникновение капель вглубь заряда воздуха; нагрев капель от соприкосновения с горячим сжатым воздухом; испарение и смешивание паров топлива с воздухом.

Химические процессы: химическая подготовка топливовоздушной смеси к воспламенению; возникновение и развитие холоднопламенных реакций окисления; в ходе которых образуются промежуточные продукты со свободными радикалами.

На развитие перечисленных выше процессов затрачивается время, отсчитываемое от момента подачи топлива форсункой до момента самовоспламенения, отмечаемого по резкому повышению давления в цилиндре [18, 58]. Это время принято называть периодом задержки самовоспламенения (ПЗВ) или периодом индукции (φ_зад). Продолжительность этого периода зависит от температуры и давления сжатого в камере сгорания воздуха, величин относительных скоростей перемещения капель топлива и потоков воздуха, от размеров капель и ве­личин локальных концентраций кислорода, скорости движения поршня, состава топлива и других факторов [18, 58].