Расчет показателей процесса сгорания этанолсодержащих топлив в дизеле

Размещено на http://www.allbest.ru/

А.Н. КАРТАШЕВИЧ, Г.Н. ГУРКОВ,

С.А. ПЛОТНИКОВ

Аннотация

горение этанолсодержащий топливо дизель

В статье приводятся результаты теоретических исследований по расчету параметров фазы быстрого горения этанолсодержащего топлива в дизеле и предложенные соотношения и методики расчета на ПЭВМ, которые могут быть рекомендованы для оценки характера процесса сгорания при работе дизеля на спиртовых топливах с добавками этанола.

The article presents results of theoretical research into the calculation of parameters of the phase of quick combustion of ethanol-containing fuel in diesel and suggested correlations and methods of calculation on computer, which could be recommended for the estimation of the character of combustion process during the work of diesel on spirit fuels with additions of ethanol.

Введение

Для Республики Беларусь важное значение имеет снижение энергетической зависимости от нефтяного топлива, так как разработка своих запасов нефти не удовлетворяет потребностей Республики в углеводородном топливе. Спектр возобновляемых альтернативных видов топлива, применяемых для автотракторной техники, в настоящее время довольно широк. Среди них можно выделить основные - алифатические спирты, биогаз, диметиловый эфир, водородное топливо, топлива на основе растительных масел. К спиртовым топливам в первую очередь можно отнести метанол и этанол. Они получили наибольшее распространение в качестве моторного топлива и хорошо зарекомендовали себя при использовании в качестве добавок к ДТ. Простая замена дизельного топлива (ДТ) на спирт в штатной топливной системе дизеля невозможна вследствие нарушения рабочего процесса. Необходима компенсация изменения свойств этих топлив в сравнении с ДТ.

Анализ источников

В настоящее время исследователями выделены разнообразные способы применения спиртов в качестве топлив для дизелей: работа дизеля на чистом спирте путем применения присадки, повышающей цетановое число (ЦЧ); создание растворов и эмульсий спиртов в ДТ; карбюрирование или впрыскивание спирта во впускной трубопровод, а дизельного топлива в цилиндр; применение двойной системы топливоподачи; конвертация дизеля в двигатель с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием, также возможны различные сочетания и модификации этих способов [1, 3, 4, 6].

Применение альтернативных моторных видов топлива изменяет организацию рабочего процесса двигателя, так как изменяются свойства топлива: ЦЧ, плотность, испаряемость, вязкость, низшая расчетная теплота сгорания и др. Поскольку адаптировать новые топлива к существующим моделям дизелей достаточно сложно, необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования по влиянию этанолсодежащих топлив на организацию рабочего процесса дизельного двигателя с разработкой адекватных физико-математических моделей.

Метод исследования

Метод исследования заключается в создании и проверке адекватности математической модели процесса сгорания в дизеле при его работе на различных режимах и составах этанолсодержащих топлив. На первом этапе исследований проверка осуществляется расчетным путем. На втором этапе исследований проводится получение данных стендовых испытаний дизеля, их сравнение и теоретический анализ.

Основная часть

Наиболее сложной задачей при расчетном моделировании индикаторной диаграммы является определение закона ввода теплоты. Возможны два варианта:

1. Ввод теплоты по характеристике впрыскивания топлива.

2. Ввод теплоты по характеристике испарения топлива.

В первом варианте процессы испарения и смесеобразования предполагаются мгновенными, т.е. происходящими одновременно с поступлением топлива в цилиндр. При этом выделение теплоты лимитируется характеристикой впрыскивания. Влияние физических процессов образования топливо-воздушной смеси будет выражаться лишь затратами теплоты на их осуществление. Идея такого расчета была впервые выдвинута А.С. Хачияном [2]. В этом случае

_т=_сг, (1)

и выделение теплоты начинается с момента, когда

_нг = _нв + _I = (360 - _оп.впр. + _i), (2)

а закон сгорания повторяет закон впрыскивания, но с отставанием по углу п.к.в. на величину _I - периода задержки воспламенения.

Здесь _нг, _нв, _I - соответственно углы начала видимого горения, начала впрыскивания и задержки воспламенения.

Очевидно, что методика расчета малопригодна для спиртовых топлив.

Во втором варианте допускается, что ввод теплоты осуществляется по характеристике испарения массы поступившего топлива:

m_v=f(). (3)

Запишем закон испарения топлива в общем виде:

m_v=i_v,i(m_т,im_т)^0,5(/_i)^0,35К_исп, (4)

здесь (5)

Коэффициент К_исп приближенно учитывает влияние повышения температуры и давления среды после начала горения на скорость испарения топлива.

При этом принимаем следующие условия:

Т_ср = 0,5(Т_нв + Т); Т_ср,i = 0,5(Т_нв + Т_i); (6)

Р_ср = 0,5(Р_нв + Р); Р_ср,i = 0,5(Р_нв + Р_i); (7)

q_терм = C_т,ср(Т₅₀ - Т_т,0) + L_v + 0,5C_п,ср(Т_ср - Т₅₀); (8)

q_терм,i = C_т,ср(Т₅₀ - Т_т,0) + L_v + 0,5C_п,ср(Т_ср,i - Т₅₀), (9)

где Т_нв, Р_нв - температура и давление среды в момент начала впрыскивания; Т_i, P_i - температура и давление среды в момент начала воспламенения; Т_т,0 - температура топлива в момент начала впрыскивания; Т₅₀ - температура 50% разгонки топлива; L_v - теплота парообразования топлива при температуре разгонки; C_т,ср, C_п,ср - теплоемкости жидкого топлива и паров топлива.

Относительная степень испарения смесевого топлива за период задержки воспламенения может быть выражена соотношением:

(10)

где условная величина Z определяется по формуле:

(11)

здесь L_j - дальнобойность J-го топливного факела в смеси; - относительная степень испарения J-го топлива в смеси за период задержки воспламенения; d_кс - диаметр горловины камеры сгорания; Т_исп,j - характерная температура испарения J-го топлива в смеси в камере сгорания.

Число Рейнольдса Re_о условно подсчитываеся по характерной угловой скорости вращения воздушного заряда _о и радиусу камеры сгорания:

(12)

Значения Z_j и подсчитываем отдельно для каждого топливного факела. Величины Т_исп,j и _о зависят от того, происходит ли испарение топлива преимущественно в объеме КС или в пристеночной области. Затем находим i_v,i=m_v,i/m_т,i и абсолютную долю испарившегося топлива m_v,i/q_ц.

Таким образом, система уравнений (2.14)-(2.22) позволяет вести расчет закона испарения топлива во времени в зависимости от условий взаимодействия топливных факелов с воздухом и параметров КС (величина i_v,i), закона топливоподачи (величины m_т,i/m_т и /_i) и термодинамических параметров среды с учетом их изменения в процессах сжатия и сгорания (величина К_исп).

Расчет закона испарения ведем одновременно с законом сгорания, который представляет собой закон испарения со сдвигом по фазе на _i:

_в = _оп.впр - _i. (13)

Определяющей величиной в расчете является момент начала ввода тепла _в (от ВМТ), который при постоянном _оп.впр может быть задан на основании корреляции известных данных (по индикаторной диаграмме).

Далее производим расчет следующих параметров фазы быстрого горения топлива:

- максимального давления цикла P_z;

- максимальной скорости нарастания давления (dp/dц)_max;

- угла ц_z, соответствующего P_z;

- средней скорости нарастания давления (dp/dц)_ср.

Максимальное давление цикла P_z определяем в зависимости от количества испарившегося за ПЗВ топлива. Для предварительного расчета применяем скорректированную зависимость [3, 4]:

P_z = P_c + 3,3910^-4 (m_v,iH_u + q_ц.сп H_u.сп)(n₁ - 1)/V_c, (14)

где Р_С - давление в конце сжатия, МПа; m_v,i - количество дизельного топлива, испаряющееся за период задержки воспламенения, принимаем для различных составов ЭСТ m_v,I (15-50%) q_ц, полагаем, что сгорает весь поданный спирт; H_u, Н_u,cп - теплота сгорания дизельного топлива и этанола, кДж/кг; n₁ - показатель адиабаты, ограничиваем на уровне 1,36; V_с - объем камеры сжатия, м³. q_{ц, сп} - цикловая подача этанола, г/цикл.

Численный коэффициент 3,39 в уравнении (14) учитывает потери теплоты в стенки цилиндра за счет теплоотдачи, изменения числа молей рабочего тепла и зависимость теплоемкости от температуры.

Цикловую подача суммарного топлива определяем по известной формуле [5]:

(15)

где G_Т - часовой расход топлива, кг/ч; n - частота вращения, мин^-1; i_c - число цилиндров двигателя; ф - тактность двигателя.

Для расчета других параметров фазы быстрого горения - максимальной скорости нарастания давления (dp/dц)_max, угла _z, средней скорости нарастания давления (р/d)_ср - используем зависимости, справедливые для случая подачи в цилиндры дизеля дизельного топлива с бензином [6], но с учетом характерных особенностей этанолсодержащих топлив:

(16)

где n - частота вращения вала дизеля, мин^-1; - характеристический фактор топлива; - отношение плотностей этанола и суммарного топлива; Р - теоретическое давление конца сжатия, МПа; _I - период задержки воспламенения в градусах пкв.; - время, соответствующее рассчитанному ранее значению ПЗВ, с; _т - плотность ЭСТ; ЦЧ - цетановое число смеси топлив.

Суммарное цетановое число топлива подсчитываем по выражению [7]:

ЦЧ = ЦЧ_ад - ЦЧ. (17)

Угол _z подсчитываем по выражению:

(18)

здесь- расчетный угол опережения впрыскивания топлива, град. пкв.; _I - период задержки воспламенения в градусах п.к.в.; _впр - продолжительность впрыскивания топлива, град. пкв.; - относительная степень испарения смесевого топлива за период задержки воспламенения находится по выражению (10).

Среднюю скорость нарастания давления (р/d)_ср подсчитываем по формуле (19):

(19)

где - теоретическое давление конца процесса сжатия.

При проведении расчетов используем ранее найденные расчетные значения _i.и Р_z, значения остальных параметров принимаем те же, что и при расчете .

Для ускорения и облегчения расчетов параметров фазы быстрого горения этанолсодержащего топлива в дизеле была разработана программа «ФБГ-Этанол», реализованная на ПЭВМ [8].

Заключение

1. Для предварительной оценки процесса сгорания дизельных топлив с неорганическими добавками необходимы теоретические исследования и разработка адекватной физико-математической модели.

2. В результате теоретических исследований получены уточненные уравнения для расчета параметров фазы быстрого горения этанолсодержащего топлива в дизеле.

3. Предложенные соотношения и методики расчета на ПЭВМ могут быть рекомендованы для предварительной оценки характера процесса сгорания при работе дизеля на спиртовых топливах с добавками этанола.

Литература

1. Карташевич, А.Н. Возобновляемые источники энергии: науч.-практ. пособие / А.Н. Карташевич, В.С. Товстыка. Горки: БГСХА, 2007. 264 с.

2. Хачиян, А.С. Доводка рабочего процесса автомобильных дизелей / А.С. Хачиян, В.Р. Гальговский, С.Е. Никитин // М.: Машиностроение, 1976. 105 с.

3. Гущин, С.Н. Улучшение эксплуатационных показателей тракторных дизелей применением спиртосодержащих топлив / С.Н. Гущин, С.А. Плотников // Киров, 2003. 162 с.

4. Камфер, Г.М. Математическое моделирование процесса сгорания спирто-содержащего топлива в дизеле / Г.М. Камфер, С.А. Плотников // Киров, 2005. 106 с.

5. Николаенко, А.В. Энергетические установки и машины. Двигатели внутреннего сгорания: учеб. пособие / А.В. Николаенко, В.С. Шкрабак // СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2004. 438 с.

6. Камфер, Г.М. Некоторые особенности рабочего цикла дизеля с камерой сгорания в поршне при использовании смесей дизельного топлива с бензином / Г.М. Камфер, В.Н. Семенов // Совершенствование автотракторных двигателей внутреннего сгорания: Тр. МАДИ. М., 1985. С. 20-24.

7. Карташевич, А.Н. Алгоритм расчета цетанового числа и периода задержки воспламенения при работе тракторного дизеля на спиртовых топливах / А.Н. Карташевич, С.А. Плотников // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. 2007. № 4. С. 108-112.

8. Программа расчета параметров фазы быстрого горения в дизеле при работе на этанолсодержащих топливах («ФБГ-Этанол») / Ш.В. Бузиков [и др.] // Свидетельство об офиц. регистр. прогр. для ЭВМ № 2010610380 от 11.01.2010.

Размещено на Allbest.ru