Improvement of starting characteristics of a diesel engine with low compression ratio by using of inlet electric air heaters

Full Text

Введение Один из способов снижения тепловой и механической нагрузки на детали дизеля - снижение степени сжатия. Однако это техническое решение влечет за собой уменьшение температуры сжатия в цилиндре и, как следствие, ухудшение пусковых качеств двигателя [1, 2]. Для обеспечения требований нормативных документов применяют различные средства облегчения пуска, наиболее часто - подогреватели воздуха на впуске, например электрофакельное устройство (ЭФУ). Обычно в качестве источника тепла они используют энергию, выделяемую при сгорании топлива. Однако этот тип подогревателей имеет ряд недостатков, один из которых - снижение концентрации кислорода в воздухе, подаваемом в камеру сгорания, что отрицательно влияет на скорость предпламенных реакций и температуру самовоспламенения топлива [3]. Чтобы избежать этого негативного эффекта, предлагается использовать электрические подогреватели, которые не снижают концентрацию кислорода в воздухе на впуске и имеют более высокую тепловую эффективность, чем электрические свечи накаливания. Цель исследования Предмет исследования - процессы во впускном коллекторе и цилиндрах дизеля на режимах предпусковой подготовки и пуска. Цель исследования - улучшение пусковых качеств дизеля с пониженной степенью сжатия путем использования электрических подогревателей воздуха на впуске вместо ЭФУ. Материалы и методы В качестве объекта исследования выбрана модификация тракторного двигателя типа 4ЧН 15/20,5 постоянной мощности с пониженной до 12,5 единиц степенью сжатия (с целью снижения тепловых и механических нагрузок в режиме максимального крутящего момента). Во впускном тракте дизеля последовательно установлены: - ЭФУ с максимальным расходом бензина 1 кг/ч; - три трубчатых электронагревателя (ТЭН) длиной 785 мм и диаметром 13 мм с рабочим напряжением 55 В и тепловой мощностью 0,8 кВт каждый. Экспериментальная оценка пусковых свойств двигателя выполнялась в два этапа. На первом этапе, проводившемся на стенде при положительных температурах окружающего воздуха, определяли зависимости температур воздуха и стенки впускного коллектора от времени прогрева при работе одного, двух и трех ТЭН перед пуском двигателя. После прогрева коллектора в течение 30 мин двигатель переводили в режим прокрутки без подачи топлива при частотах вращения 160, 200, 300, 400, 500, 600 и 700 мин-1 последовательно до прекращения снижения температуры воздуха в коллекторе. Определяли зависимости температуры стенки впускного коллектора от времени остывания на остановленном двигателе, необходимые для последующего расчета теплоотдачи от поверхности коллектора в окружающий воздух. На втором этапе испытаний двигатель устанавливали в климатической камере ОАО «НИИ автотракторной техники» (г. Челябинск) и путем последовательного приближения в возможно большем диапазоне температур окружающего воздуха tокр определяли необходимую для пуска двигателя в течение 1,5-2 с температуру предварительного подогрева воздуха в коллекторе. Затем путем пересчета полученных на первом этапе величин перепадов между температурой воздуха в коллекторе и tокр определяли зависимость между этими величинами и необходимым временем предварительного подогрева воздуха во впускном коллекторе. Использование измеренных при положительных температурах воздуха перепадов температур допустимо, так как изменение плотности воздуха при увеличении его температуры с 15 до 115°С отличается от соответствующего изменения плотности при нагреве от -27 до 73°С всего на 4%, а теплоемкость воздуха - менее чем на 1%. Поэтому такой пересчет может быть принят для фактических расчетов времени предварительного подогрева воздуха. Критерием практической допустимости этих расчетов служило совпадение расчетных величин времени предварительного подогрева воздуха с экспериментальным при практически одинаковой продолжительности пуска двигателя. Пуск производился электростартером, но так как на двигателе 4ЧН 15/20,5 также предусматривается установка пускового двигателя П-23У с большей по сравнению с электростартером мощностью, подготовку и пуск двигателя производили в следующей последовательности: - по температуре окружающего воздуха назначали продолжительность предварительного прогрева воздуха в минутах; - выключали декомпрессор двигателя; - включали электростартер, измеряли частоту вращения коленчатого вала двигателя; - после 5-6 с работы электростартера подавали топливо; - через 2-3 с после подачи топлива закрывали декомпрессор и измеряли продолжительность запуска двигателя. Для исключения влияния подогрева картерного масла и охлаждающей жидкости масло разбавляли 20% бензина. Для предотвращения низкотемпературного осмоления в картерное масло добавляли 0,05% активного ингибитора свободнорадикальной полимеризации мономеров низкотемпературных смол гидрохинона. Методика расчета теплоотдачи от поверхности впускного коллектора в окружающий воздух [4] заключалась в использовании кривых остывания для определения коэффициента теплопередачи при известной внешней площади S и массе m впускного коллектора. Принимая во внимание, что коллектор изолирован от головок двигателя паронитовыми прокладкам и теплообменом между ними можно пренебречь, находили количество тепла, отдаваемого при остывании от температуры t до tокр: ; , где с - теплоемкость серого чугуна; k - коэффициент теплопередачи; τ - время остывания поверхности коллектора от t1 до t2. Результаты и их обсуждение В соответствии с уравнением Аррениуса скорость двухкомпонентной реакции равна: , (1) где С1, С2 - концентрации дизельного топлива и кислорода; А - коэффициент скорости реакции; Е - энергия активации; R - газовая постоянная; Т - температура реакции. Уравнение (1) описывает самое начало химического процесса, когда концентрации реагентов еще не претерпели существенных изменений, что отвечает задаче определения температуры самовоспламенения дизельного топлива в зависимости от концентрации кислорода. Тогда, согласно результатам работ Н.С. Мороцкого и И.А. Захарова [5]: , (2) где все величины в левой части уравнения постоянны, а в правой переменны температура реакции и концентрация кислорода (со знаком « ' »), изменяющаяся в пределах от 0,1 до 1. Температура реакции в левой части уравнения постоянна и соответствует концентрации кислорода, равной 1, т.е. полному содержанию кислорода в воздушном заряде. Сократив и преобразовав уравнение (2) и подставив в него постоянные величины Е = 60 000 кДж/моль, R = 8,3 кДж/(моль·К), Т = 800 К, С2 = 1, получим: . (3) Величины температур самовоспламенения дизельного топлива, рассчитанные по уравнению (3), приведены на рис. 1, из которого следует, что наряду с увеличением температуры поступающего в цилиндры воздуха ЭФУ существенно затрудняет процесс самовоспламенения топлива в цилиндрах двигателя. По данным замеров, при частотах вращения коленчатого вала 84 и 102 мин-1 часовые расходы воздуха составляли 42,1 и 51,1 кг/ч. При стехиометрическом числе, равном для бензина 14,2 кг/кг, и коэффициенте избытка воздуха, равном 1, в воздушном заряде в цилиндре останется соответственно 54,9 и 61,7% содержавшегося в нем ранее кислорода. Для этих остаточных концентраций кислорода температуры самовоспламенения увеличиваются с 800 до 870 и 850 К соответственно, а с учетом снижения расхода воздуха при уменьшении его плотности в период работы ЭФУ - еще на 10%. Результаты расчета изменения температур самовоспламенения дизельного топлива из-за обеднения кислородом всасываемого воздуха объясняют тот факт, что в ходе эксперимента пуск двигателя осуществлялся только после прекращения работы ЭФУ. На рис. 2 показано изменение температур воздуха и стенок впускного коллектора на режимах предварительного прогрева и последующей прокрутки двигателя без подачи топлива при включении одного, двух и трех ТЭН. Из рис. 2 следует, что через 10 мин после начала прогрева перепад температур между воздухом в коллекторе и окружающим воздухом составлял 52°С при работе одного TЭН, 63°С при работе двух ТЭН и 98°С при работе трех ТЭН, а количество внесенного во впускной коллектор тепла - соответственно 470, 975 и 1480 кДж. Сравнение кривых прогрева показывает, что на начальной стадии прогрева существенную роль играет способ размещения ТЭН в коллекторе. Целесообразно размещать два ТЭН как можно ближе к верхней части коллектора, к патрубкам, отводящим воздух к цилиндрам двигателя. Величины перепадов температур в конце каждого 5-минутного периода прокрутки двигателя на очередном скоростном режиме близки к установившимся и при пуске дизеля пусковым двигателем П-23У в диапазоне 160-220 мин-1 находятся в пределах от 41 до 46°С при работе одного ТЭН, 69-75°С при работе двух ТЭН и 96-109°С при работе трех ТЭН. При часовом расходе бензина 1 кг и коэффициенте выделения теплоты 0,95 тепловая мощность ЭФУ составляет 11,3 кВт, что значительно выше мощности примененных ТЭН. Однако время работы ЭФУ ограничено продолжительностью работы электростартера, равной 20 с (по ГОСТ 18509). За это время ЭФУ вносит в коллектор всего 236 кДж тепла, что соответствует температурному перепаду 39°С. При исходной температуре воздуха -25°С температура воздуха в коллекторе достигает только 14°С, а температура самовоспламенения дизельного топлива возрастает на 50-70°С, что объясняет неудачные пуски дизеля с ЭФУ. Требуемая ГОСТ 18509 продолжительность периода между повторными попытками пуска исключает возможность повышения температур воздуха при последующих попытках пуска, так как для повышения температуры стенки коллектора на 1°С в начале прогрева требуется 700 кДж теплоты. Столь малый тепловой эффект применения ЭФУ делает его непригодным для использования в качестве средства облегчения пуска тракторного дизеля типа 4ЧН 15/20,5 с пониженной степенью сжатия. На рис. 3 показаны пусковые характеристики двигателя с предпусковым подогревом воздуха во впускном коллекторе тремя ТЭН с суммарной тепловой мощностью 2,4 кВт, полученные путем последовательного снижения продолжительности подогрева воздуха до увеличения продолжительности пуска с 0,4-0,6 до 1,5-2 с. Соответствующая этой продолжительности пуска температура воздуха во впускном коллекторе линейно увеличивается с 64°С при tокр = 4°С до 67°С при tокр= -10°С. Линейная экстраполяция этой зависимости при tокр= -20°С дает температуру воздуха в коллекторе 69°С. Двигатель запускался без признаков выброса белых паров несгоревшего топлива, с клубом черного дыма вследствие малых величин коэффициента избытка воздуха. Продолжительность предпускового подогрева воздуха во впускном коллекторе составила 4,6 мин при tокр = 4°С; 5 мин при tокр = -3°С; 7,5 мин при tокр = -10°С, но в последнем случае произошло сокращение продолжительности пуска до 1 с, в связи с чем продолжительность предпускового подогрева воздуха составила не более 6,5 мин. Продолжительность пуска двигателя без предпускового подогрева воздуха при температуре окружающего воздуха 4°С составила 17 с, что совпадает с ранее полученными данными. Расчет показал, что ток, потребляемый ТЭН, при снижении напряжения с 55 до 24 В составит 6,5 А·ч при tокр = 4°С; 15 А·ч при tокр = -20°С. В связи с тем, что по мере увеличения разрядного тока аккумулятора снижается его емкость, оценена возможность применения стартерных аккумуляторов 6СТ-128 для питания ТЭН при пуске дизеля пусковым двигателем П-23У. По трем точкам, приведенным в паспорте аккумулятора, построены зависимости относительной емкости от силы тока и времени разряда (рис. 4, 5). Время разряда при трех ТЭН и разрядном токе 100 А составит 30 мин, минимальная емкость аккумуляторов - 64 А·ч; при двух ТЭН с разрядным током 67 А - 45 мин и 75 А·ч соответственно. Для оценки целесообразности применения тепловой изоляции впускного коллектора произведен расчет теплоотдачи от его поверхности в окружающий воздух по методике В.И. Сороко-Новицкого [4] с использованием полученных экспериментальных данных. Определено, что в течение 9 мин, необходимых для прогрева, при температуре окружающего воздуха -20°С температура стенки коллектора повысится до 17°С, в результате чего теплосодержание массы серого чугуна весом 26 кг составит 527 кДж, а теплоотдача от поверхности коллектора в окружающий воздух - 150 кДж/ч. За 30 мин в коллектор будет введено 4150 кДж выработанного тремя ТЭН тепла, относительная потеря которого составит 1,76%, в связи с чем впускной коллектор не нуждается в тепловой изоляции. Выводы 1. Принципиальные недостатки, определяющие малую эффективность применения ЭФУ при низкотемпературных пусках дизеля с пониженной степенью сжатия: - повышение температуры самовоспламенения дизельного топлива при обеднении воздушного заряда в цилиндрах кислородом, расходуемым в факеле ЭФУ, особенно в области малых частот вращения коленчатого вала двигателя электростартером; - возможность работы ЭФУ только в период прокручивания двигателя электростартером, ограниченный по ГОСТ 18509 временем 20 с, и соответственно, малое количество вносимого в двигатель тепла при большой тепловой мощности ЭФУ. 2. Расчетные и экспериментальные исследования показали, что: - установка ТЭН имеет несомненное преимущество перед любыми типами ЭФУ вне зависимости от того, потребляют ли они кислород или работают по двухконтурной схеме; - двухконтурное ЭФУ, установленное в коллектор со стороны четвертого цилиндра двигателя, не сможет обогреть воздух, поступающий в первый цилиндр, в результате чего возможно его осмоление; - надежное средство облегчения зимнего запуска двигателя 4ЧН 15/20,5 со степенью сжатия 12,5 - предварительный прогрев воздуха во впускном коллекторе размещенными в нем по всей длине ТЭН с суммарной тепловой мощностью 1,6-2,4 кВт; - целесообразна установка ТЭН непосредственно под патрубками коллектора, подводящими воздух к головкам цилиндров двигателя; - для питания ТЭН мощностью до 2,4 кВт при запуске дизеля пусковым двигателем П-23У возможно применение стартерных аккумуляторов 6CT-128; - впускной коллектор с установленными в нем ТЭН не нуждается в тепловой изоляции. 3. Результаты проведенного исследования использованы при модернизации серийных и разработке новых моделей тракторных дизелей ООО «ЧТЗ-Уралтрак» и могут быть рекомендованы к внедрению на предприятиях дизелестроения.

About the authors

V. N Bondar'

South Ural State University

PhD in Engineering Chelyabinsk, Russia

A. A Malozemov

South Ural State University

DSc in Engineering Chelyabinsk, Russia

V. S Kukis

South Ural State University

Email: idem37@mail.ru
DSc in Engineering Chelyabinsk, Russia

References

Supplementary files