Indication of the working process of the tractor diesel working on natural gas and alcohols

Full Text

Введение С начала развития двигателей внутреннего сгорания так называемая индикаторная диаграмма - кривая изменения давления в цилиндре поршневого двигателя на протяжении рабочего цикла - используется как одно из средств описания и анализа рабочего процесса. Одно из ценных качеств индикаторной диаграммы, издавна привлекающее внимание исследователей, заключается в том, что она представляет непосредственную запись действительных физических величин, значения которых можно наблюдать без всяких дополнительных расчетов на самой диаграмме. Индикаторная диаграмма дает возможность получить важные сведения о протекании рабочего процесса. Непосредственно из индикаторной диаграммы можно получить данные о величине максимального даления сгорания рz, скорости повышения давления (жесткости процесса сгорания) dp/dj на различных участках, давления на впуске и выпусе, о значении угла φi, соответствующего периоду задержки воспламенения. Так, индикаторная диаграмма является одним из эффективных средств наблюдения за самовоспламенением в дизеле. Полезная площадь индикаторной диаграммы в координатах p - v определяет работу газов внутри цилиндра за один рабочий цикл, а зная работу цикла легко определить такие основные индикаторные показатели рабочего процесса, как среднее индикаторное давление и индикаторный КПД [1]. Процесс сгорания в дизеле, работающем на альтернативных топливах, еще более чувствителен в сравнении со штатным дизельным процессом (ДП) ко многим конструкционным и эксплуатационным факторам. Возникновение и развитие горения, полнота сгорания топливо воздушной смеси альтернативного топлива также определяются особенностями и скоростями реакций, условиями тепло- и массообмена в зоне пламени и теплоотдачей в стенки цилиндра. Скорость распространения фронта пламени в процессе сгорания зависит от химических и физических факторов и в совокупности со скоростью химической реакции оксисления молекул альтернативного топлива в конечном счете влияет на продолжительность сгорания массы рабочей смеси в камере сгорания дизеля. Например, из-за неравномерного распределения исследуемого топлива по цилиндрам состав топливо-воздушной смеси может оказаться близким к концентрационным пределам распространения пламени, в связи с чем возможны пропуски воспламенения и сгорания в отдельных цилиндрах, или процесс горения может становиться медленным, переходя в фазу расширения [2-4]. Очевидно, что отличительной особенностью процессов смесеобразования и горения в дизеле, работающем как на ПГ с запальной порцией дизельного топлива, так и на спирто-топливной эмульсии (СТЭ), будет являться по сравнению с ДП неоднородность горючей смеси по объему цилиндра, присутствовать совершенно другая испаряемость горючего и несовпадение по времени процессов образования топливо-воздушной смеси и ее горение. Применение альтернативных топлив с другим химическим составом и локальными условиями может приводить к отличительным показателям процесса сгорания и даже к воспламенению во время развития факела распыла. Следовательно, для научного представления действительной картины процесса сгорания дизеля, работающего на ПГ и СТЭ, необходимо детальное и достаточно достоверное описание данного процесса, что можно выполнить только после проведения индицирования рабочего процесса дизеля [5]. Цель исследования Экспериментальное индицирования рабочего процесса дизеля, работающего на ПГ и СТЭ. Методы и средства исследования Индицирование процесса сгорания осуществляли с помощью электропневматического индикатора МАИ-5А с установленным датчиком давления в головке блока 1-го цилиндра (рис. 1). Записывающий механизм устанавливался перед двигателем на одной оси с коленчатым валом через промежуточную муфту, согласно инструкции к МАИ-5А. Установка отметчика верхней мертвой точки (ВМТ) проверялась по положению поршня в ВМТ в первом цилиндре и контролировалась по диаграмме сжатия - расширения без подачи топлива. Обработку индикаторных диаграмм проводили с помощью компьютерной программы ЦНИДИ-ЦНИИМ [6]. На рис. 2, а изображены индикаторные диаграммы дизеля 4Ч 11,0/12,5 при частоте вращения n = 2200 мин-1 и установочном угле опережения впрыскивания топлива (у.о.в.т.) Θвпр = 23º. Анализируя представленные на данном режиме индикаторные диаграммы, можно четко видеть увеличение периода задержки воспламенения (ПЗВ) и максимального давления цикла рz при работе на всех исследуемых альтернативных топливах [7]. Так, применение этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ) увеличивает угол, соответствующий ПЗВ, φi на 5,5°, метаноло-топливной эмульсии (МТЭ), газодизельного процесса (ГДП) - на 7,5°, ГДП с рециркуляцией отработавших газов (РОГ) 10 % - на 8,5°, ГДП с РОГ 20 % - на 9,5 по отношению к ДП. При этом рz увеличивается при работе по ГДП и МТЭ на 0,4 МПа, на ЭТЭ - на 0,8 МПа, при работе по ГДП с РОГ 10 % - соответствует ДП, а при работе по ГДП с РОГ 20 % - снижается на 0,6 МПа также по отношению к ДП. С увеличением степени РОГ уменьшается угол наклона кривой давления, что свидетельствует о снижении жесткости процесса сгорания. На рис. 2, б изображены индикаторные диаграммы дизеля 4Ч11,0/12,5 при n = 1700 мин-1 и Θвпр = 23º. На режиме максимального крутящего момента также происходит увеличение ПЗВ и максимального давления цикла рz при работе на всех исследуемых альтернативных топливах. Так, при работе по ГДП величина φi увеличивается на 2,0°, по ГДП с РОГ 10% - на 3,0°, по ГДП с РОГ 20 % - на 4,0°, на МТЭ - на 5,0о, на ЭТЭ - на 5,5о по сравнению с ДП. При этом рz увеличивается при работе на МТЭ - на 0,3 МПа, на ЭТЭ - на 0,6 МПа, по ГДП - на 2,4 МПа, по ГДП с РОГ 10 % - на 1,6 МПа, по ГДП с РОГ 20% - на 1,2 МПа также по отношению к ДП. На рис. 3, а изображены индикаторные диаграммы дизеля 4Ч11,0/12,5 при n = 2200 мин-1 и Θвпр = 26º. На номинальном режиме при этом значении у.о.в.т. также происходит увеличение ПЗВ и максимального давления цикла рz при работе на всех исследуемых альтернативных топливах. Так, применение ЭТЭ увеличивает угол, соответствующий ПЗВ, φi на 5,0°, МТЭ - на 6,5°, ГДП - на 7,5°, ГДП с РОГ 10 % - на 8,0°, ГДП с РОГ 20 % - на 9,0° по отношению к ДП. При этом рz увеличивается при работе на МТЭ на 0,3 МПа, на ЭТЭ - на 1,0 МПа, по ГДП - на 1,3 МПа, по ГДП с РОГ 10 % - на 0,7 МПа, соответственно по отношению к ДП. При работе по ГДП с РОГ 20 % величина рz равняется ДП. На рис. 3, б изображены индикаторные диаграммы дизеля 4Ч11,0/12,5 при n = 1700 мин-1 и Θвпр = 26º. На режиме, соответствующем максимальному крутящему моменту, при этом значении Θвпр также происходит увеличение ПЗВ и максимального давления цикла рz при работе на всех исследуемых альтернативных топливах. Так, при работе по ГДП величина φi увеличивается на 2,0°, по ГДП с РОГ 10 % - на 3,0°, по ГДП с РОГ 20 % - на 4,0°, на МТЭ - на 5,5°, на ЭТЭ - на 6,0° по сравнению с ДП. При этом рz увеличивается при работе на МТЭ - на 0,2 МПа, на ЭТЭ - на 0,7 МПа, по ГДП - на 2,2 МПа, по ГДП с РОГ 10 % - на 1,5 МПа, по ГДП с РОГ 20 % - на 0,8 МПа также по отношению к ДП. На рис. 4, а изображены параметры процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5, зависящие от Θвпр, при n = 2200 мин-1. Рассматривая экспериментальные кривые параметров процесса горения в ЦД, работающего по ГДП, необходимо выделить, что с увеличением Θвпр возрастают величины максимального давления цикла pz, максимальной осредненной температуры Тmax, степени повышения давления λ, жесткости процесса горения (dp/dj)max и уменьшается значение угла φi, соответствующего ПЗВ. Применение на ГД РОГ не изменяет характер протекания кривых относительно Θвпр и приводит к снижению Tmax, pz, λ, (dp/dj)max и увеличению значения угла φi, соответствующего ПЗВ. Изучая графики ГДП с РОГ можно заметить снижение pz и (dp/dj)max относительно чисто ГДП. Так, при Θвпр = 26° и 10%-й РОГ снижение pz равняется 9,4 МПа, что соответствует 4,3 %, но что, в свою очередь, на 8,0 % выше ДП. Величина угла, соответствующего ПЗВ, повышается слабо. При Θвпр = 23° максимальное давление в ЦД при ГДП равняется 8,5 МПа, при ГДП с 10%-й РОГ - 8,1 МПа, что меньше на 4,7 % ГДП и соответствует ДП. (dp/dj)max при Θвпр = 23º по ГДП с 10%-й РОГ характеризуется 0,60 МПа/град, что соответствует снижению на 13,0 % по отношению к ГДП и на 26,7 % ниже ГДП с 10%-й РОГ при Θвпр = 26º. Рассматривая отличия работы дизеля на МТЭ от ДП, необходимо отметить, что величины параметров процесса сгорания на МТЭ повышаются. Так, при Θвпр = 23° при переходе с ДП на МТЭ наблюдаются рост Tmax на 11,0 %, pz - на 4,4 %, (dp/dj)max - в 2,1 раза, степени повышения давления λ - на 19,0 %, угла ji, соответствующего ПЗВ, - на 33,3 %. При установочном у.о.в.т. Θвпр = 26° при переходе с ДП на МТЭ наблюдаются рост Tmax на 7,5 %, pz на 3,5 %, (dp/dj)max - в 2,0 раза, степени повышения давления λ - на 6,8 %, угла φi, соответствующего ПЗВ, на 28,3 %. Изучая графические зависимости 4Ч 11,0/12,5 на ЭТЭ и дизельном топливе, следует пояснить, что величины параметров процесса сгорания на ЭТЭ, так же как и на МТЭ, увеличиваются. Так, при Θвпр = 23º при переходе с ДП на ЭТЭ наблюдаются рост Тmax на 14,6 %, pz - на 9,9 %, (dp/dj)max - на 71,2 %, степени повышения давления λ на 19,5 %, угла ji, соответствующего ПЗВ, - на 24,4 %. При Θвпр = 26º при переходе с ДП на ЭТЭ наблюдается рост Tmax на 13,2 %, - pz на 11,5 %, (dp/dj)max - на 65,1 %, степени повышения давления λ - на 14,1 %, угла ji, соответствующего ПЗВ, на - 21,7 %. На основании проведенных исследований на номинальном режиме работы и установочном у.о.в.т. Θвпр = 23о применение ПГ и РОГ, МТЭ и ЭТЭ приводит к значениям параметров процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5, указанным в табл. 1. Результаты исследований характеристик процесса горения дизеля 4Ч 11,0/12,5, зависящие от Θвпр, при n = 1700 мин-1, изображены на рисунке 4, б. Рассматривая кривые параметров процесса сгорания ГДП, необходимо отметить, что с увеличением установочного у.о.в.т. при n = 1700 мин-1 возрастают величины Tmax, pz, λ, (dp/dj)max и значения угла φi, соответствующего ПЗВ. Применение на газодизеле РОГ не изменяет характер протекания кривых относительно Θвпр и приводит к снижению максимальной осредненной температуры газов в ЦД Tmax, pz, λ, (dp/dj)max и увеличению значения угла φi, соответствующего ПЗВ. Так, следует выделить, что на ГДП с 10%-ной РОГ при Θвпр = 26° уменьшается величина pz до 10,6 МПа, что соответствует снижению на 6,2 % по отношению к ГДП и на 16,5 % выше ДП. Величина (dp/dj)max на этом же режиме падает до 0,92 МПа/град, а величина угла, характеризующего ПЗВ несколько повышается. При Θвпр = 23º максимальное давление в ЦД при ГДП равняется 11,0 МПа, при ГДП с 10%-й РОГ - 10,2 МПа, что соответствует снижению на 7,3 % по отношению к ГДП и выше на 18,6 % ДП. Величина (dp/dj)max равняется 0,76 МПа/град, что больше на 8,4 % ГДП и меньше на 17,4 % ГДП с 10%-й РОГ при Θвпр = 26º. Исследуя зависимости работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на МТЭ и дизельном топливе при n = 1700 мин-1, необходимо выделить увеличение параметров процесса сгорания на МТЭ. При Θвпр = 23º при переходе с ДП на МТЭ наблюдается увеличение значений Tmax на 11,3 %, pz - на 3,5 %, (dp/dj)max - в 2,1 раза, степени повышения давления λ - на 15,0 %, угла φi, соответствующего ПЗВ, - на 25,0%. При Θвпр = 26º при переходе с ДП на МТЭ наблюдается рост Tmax на 9,2 %, pz - на 2,2 %, (dp/dj)max - в 2,0 раза, степени повышения давления λ на 7,3 %, угла φi, соответствующего ПЗВ, - на 28,6 %. Исследуя графические зависимости работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ЭТЭ и дизельном топливе, следует отметить увеличение параметров процесса сгорания на ЭТЭ, так же как и на МТЭ. Так, при Θвпр = 23º при переходе с ДП на ЭТЭ наблюдается рост Tmax на 14,9 %, pz - на 7,0 %, (dp/ j)max - на 85,9 %, степени повышения давления λ - на 18,0%, угла φi, соответствующего ПЗВ, - на 27,5 %. При установочном у.о.в.т. Θвпр = 26º при переходе с ДП на ЭТЭ наблюдается рост Tmax на 14,0 %, pz - на 7,7 %, (dp/dj)max - на 84,5 %, степени повышения давления λ на 11,5 %, угла φi, соответствующего ПЗВ, - на 26,2 %. Результаты исследований параметров процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5, работающего на ПГ, ПГ с РОГ и СТЭ, при Θвпр = 23о и n = 1700 мин-1 сведены в табл. 2. Выводы В результате экспериментальных исследований показателей процесса сгорания дизеля при работе на ПГ и СТЭ можно сделать следующие выводы. 1. На основании проведенных исследований показателей процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5 предложено значение оптимального установочного угла опережения впрыскивания топлива, равное 23о. Это же значение рекомендовано и для дизельного процесса. 2. Установлены зависимости влияния режимов работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ПГ, ПГ с различными степенями РОГ, МТЭ и ЭТЭ - на показатели его процесса сгорания. 3. Определены оптимальные значения показателей процесса сгорания при работе дизеля 4Ч 11,0/12,5 на ПГ и СТЭ при Θвпр = 23º. При Θвпр = 23º и номинальном режиме (n = 2200 мин-1, pе = 0,64 МПа) получены следующие результаты: ДП - Тmax= 2190 К; pz = 8,1 МПа; λ = 1,90; (dp/dφ)max = 0,59 МПа/град; φi = 22,5°; ГДП - Тmax = 3010 К (увеличение на 37,4 %); pz = 8,5 МПа (увеличение на 4,9 %); λ = 2,0 (увеличение на 5,3 %); (dp/dφ)max = 0,69 МПа/град (увеличение на 17,0 %); φi = 30,0° (увеличение на 33,3 %); ГДП с РОГ 10 % - Тmax = 2790 К (увеличение на 27,4 %); pz = 8,1 МПа (соответствует ДП); λ = 1,9 (соответствует ДП); (dp/dφ)max=0,60 МПа/град (увеличение на 1,7 %); φi = 31,0° (увеличение на 37,8 %); ГДП с РОГ 20 % - Тmax = 2680 К (увеличение на 22,4 %); pz = 7,5 МПа (снижение на 7,4 %); λ = 1,8 (снижение на 5,3 %); (dp/dφ)max = 0,54 МПа/град (снижение на 8,5 %); φi = 32,0° (увеличение на 6,7 %); МТЭ - Тmax = = 2430 К (увеличение на 11,0 %); pz = 8,5 МПа (увеличение на 4,9 %); λ = 2,26 (увеличение на 19,0 %); (dp/dφ)max= 1,25 МПа/град (увеличение в 2,1 раза); φi = 30,0° (увеличение на 33,3 %); ЭТЭ - Тmax = 2510 К (увеличение на 14,6 %); pz = 8,9 МПа (увеличение на 9,9 %); λ = 2,27 (увеличение на 19,5 %); (dp/dφ)max = 1,01 МПа/град (увеличение на 71,2 %); φi = 28,0° (увеличение на 24,4 %). При Θвпр = 23º и режиме, соответствующем максимальному крутящему моменту (n = 1700 мин-1, pе = 0,69 МПа): ДП - Тmax = = 2210 К; pz = 8,6 МПа; λ = 2,0; (dp/dφ)max = = 0,64 МПа/град; φi = 20,0°; ГДП - Тmax = 3050 К (увеличение на 38,0 %); pz = 11,0 МПа (увеличение на 27,9 %); λ = 2,6 (увеличение на 30,0 %); (dp/dφ)max = 0,83 МПа/град (увеличение на 29,7 %); φi = 22,0° (увеличение на 10,0 %); ГДП с РОГ 10 % - Тmax= 2880 К (увеличение на 30,3 %); pz = 10,2 МПа (увеличение на 18,6 %); λ = 2,40 (увеличение на 20,0 %); (dp/dφ)max = 0,76 МПа/град (увеличение на 18,8 %); φi = 24,0° (увеличение на 20,0 %); ГДП с РОГ 20% - Тmax= = 2710 К (увеличение на 22,6 %); pz = 9,2 МПа (увеличение на 7,0 %); λ = 2,32 (увеличение на 16,0%); (dp/dφ)max = 0,66 МПа/град (увеличение на 3,1 %); φi = 23,0° (увеличение на 15,0 %); МТЭ - Тmax= 2460 К (увеличение на 11,3 %); pz = 8,9 МПа (увеличение на 3,5%); λ = 2,30 (увеличение на 15,0 %); (dp/dφ)max= 1,36 МПа/град (увеличение в 2,1 раза); φi = 25,0° (увеличение на 25,0 %); ЭТЭ - Тmax = 2540 К (увеличение на 14,9 %); pz = 9,2 МПа (увеличение на 7,0 %); λ = 2,36 (увеличение на 18,0 %); (dp/dφ)max = 1,19 МПа/град (увеличение на 85,9 %); φi = 25,5° (увеличение на 27,5 %). а б Рис. 1. Вид на записывающее устройство (а) и датчик давлений (б) индикатора МАИ-5А а б Рис. 2. Индикаторные диаграммы тракторного дизеля 4Ч11,0/12,5 при Θвпр = 23º: а - n = 2200 мин-1; б - n = 1700 мин-1; - ДП; - ГДП; - ГД с РОГ 10 %; - ГД с РОГ 20 %; - ЭТЭ; - МТЭ а б Рис. 3. Индикаторные диаграммы дизеля 4Ч11,0/12,5 при Θвпр = 26º: а - n = 2200 мин-1; б - n = 1700 мин-1; - ДП; - ГДП; - ГД с РОГ 10 %; - ГД с РОГ 20 %; - ЭТЭ; - МТЭ а б Рис. 4. Влияние применения ПГ и СТЭ на показатели процесса сгорания дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения Θвпр: а - n = 2200 мин-1; б - n = 1700 мин-1; - ДП; - ГДП; - ГД с РОГ 10 %; - ГД с РОГ 20 %; - ЭТЭ; - МТЭ Таблица ١ Результаты исследований показателей процесса сгорания дизеля ٤Ч ١١,٠/١٢,٥ при Θвпр = ٢٣º и номинальном режиме (n = ٢٢٠٠ мин-١, pе = ٠,٦٤ МПа) Топливо Показатели Тmax, K pz, МПа λ (dp/dφ)max, МПа/град φi, градус Дизельное 2190 8,1 1,90 0,59 22,5 ПГ 3010 (увеличение на 37,4 %) 8,5 (увеличение на 4,9 %) 2,0 (увеличение на 5,3 %) 0,69 (увеличение на 17,0 %) 30,0 (увеличение на 33,3 %) ПГ с РОГ 10 % 2790 (увеличение на 27,4 %) 8,1 (соответствует ДП) 1,90 (соответствует ДП) 0,60 (увеличение на 1,7 %) 31,0 (увеличение на 37,8 %) ПГ с РОГ 20 % 2680 (увеличение на 22,4 %) 7,5 (снижение на 7,4 %) 1,80 (снижение на 5,3 %) 0,54 (снижение на 8,5 %) 32,0 (увеличение на 6,7 %) МТЭ 2430 (увеличение на 11,0 %) 8,5 (увеличение на 4,9 %) 2,26 (увеличение на 19,0 %) 1,25 (увеличение в 2,1 раза) 30,0 (увеличение на 33,3 %) ЭТЭ 2510 (увеличение на 14,6 %) 8,9 (увеличение на 9,9 %) 2,27 (увеличение на 19,5 %) 1,01 (увеличение на 71,2 %) 28,0 (увеличение на 24,4 %) Таблица ٢ Результаты исследований показателей процесса сгорания дизеля ٤Ч ١١,٠/١٢,٥ при Θвпр = ٢٣º и режиме, соответствующем максимальному крутящему моменту (n = ١٧٠٠ мин-١, pе = ٠,٦٩ МПа) Топливо Показатели Тmax, K pz, МПа λ (dp/dφ)max, МПа/град φi, градус Дизельное 2210 8,6 2,0 0,64 20,0 ПГ 3050 (увеличение на 38,0 %) 11,0 (увеличение на 27,9 %) 2,60 (увеличение на 30,0 %) 0,83 (увеличение на 29,7 %) 22,0 (увеличение на 10,0 %) ПГ с РОГ 10 % 2880 (увеличение на 30,3 %) 10,2 (увеличение на 18,6 %) 2,40 (увеличение на 20,0 %) 0,76 (увеличение на 18,8 %) 24,0 (увеличение на 20,0 %) ПГ с РОГ 20 % 2710 (увеличение на 22,6 %) 9,2 (увеличение на 7,0 %) 2,32 (увеличение на 16,0 %) 0,66 (увеличение на 3,1 %) 23,0 (увеличение на 15,0 %) МТЭ 2460 (увеличение на 11,3 %) 8,9 (увеличение на 3,5 %) 2,30 (увеличение на 15,0 %) 1,36 (увеличение в 2,1 раза) 25,0 (увеличение на 25,0 %) ЭТЭ 2540 (увеличение на 14,9 %) 9,2 (увеличение на 7,0 %) 2,36 (увеличение на 18,0 %) 1,19 (увеличение на 85,9 %) 25,5 (увеличение на 27,5 %)

About the authors

V. A Lihanov

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru
DSc in Engineering

O. P Lopatin

Vyatka State Agricultural Academy

Email: nirs_vsaa@mail.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files