# Development and testing of a mathematical model of the engine pre-start operation at low ambient temperatures

## Abstract

Starting a cold diesel engine, in the Arctic, with minimum temperatures below -60 ° C, presents significant difficulties due to: low temperature of the air charge; increased resistance to cranking the crankshaft and moving other kinematically related parts (pistons, parts of the gas distribution mechanism; etc.) due to the increased viscosity of the oil, deterioration of fuel atomization conditions, enhanced heat transfer to the cylinder wall, loss of part of the air charge. This article is devoted to solving the urgent problem associated with the development of a theoretical framework that provides comprehensive simulation of the starting mode of a diesel engine at low ambient temperatures when using start-up facilitators. The article proposes a mathematical model of a diesel engine, based on thermal mechanics (thermodynamics of open systems), which reflects the main features of an internal combustion engine (ICE) as a system that converts energy over time. The system of equations of the mathematical model is based on the laws of conservation of energy, mass, equations of motion of solid links and includes differential equations of the rate of change of temperature and density of the working fluid in the cylinder and in the engine crankcase, ideal gas equation of state, as well as differential equations of change of angular velocity and angle of rotation of engine shaft. The mathematical model is tested on the example of a 1CH9.5 / 8.0 diesel engine. The article presents graphs of changes in the angular velocity, pressure and temperature in the cylinder, as well as the results of calculating the engine pre-start operation at various low ambient temperatures in comparison with the results of full-scale experiments conducted in the refrigerating chamber.

## Full Text

Введение В настоящее время актуальная задача освоения Арктики не может быть решена без использования многоцелевых дизельных двигателей внутреннего сгорания, которые широко применяются для привода электроагрегатов, буровых установок, компрессоров, коммунальной и строительной техники, тракторов, а также автономных агрегатов с круглосуточным режимом эксплуатации. В рассматриваемых условиях сверхнизких температур автономное функционирование даже специально адаптированных к Арктике дизелей представляет существенные трудности. В первую очередь, это касается предпускового режима работы дизеля, от которого зависит возможность его запуска. 1. Существующие проблемы пуска дизеля при низких температурах окружающей среды Пусковые качества дизелей оценивают по минимальной температуре надежного пуска, времени подготовки двигателя к принятию нагрузки, минимальной пусковой частоте nmin и условной величины - средним давлением трения Ртр (отношение силы трения к площади поршня) [1]. Пуск холодного дизеля представляет трудности вследствие: низкой температуры воздушного заряда; повышенного сопротивления проворачиванию коленчатого вала и перемещению других, кинематически с ним связанных деталей (поршни, детали механизма газораспределения; и т.д.) из-за увеличенной вязкости масла; ухудшения условий распыливания топлива; усиленной теплоотдачи в стенки цилиндра; потери части воздушного заряда [2, 3]. Низкая температура воздушного заряда на впуске и усиленный теплоотвод в стенки цилиндра приводят к тому, что значительно снижается температура и давление рабочего тела в конце такта сжатия. Существенное влияние на уменьшение температуры воздуха в конце такта сжатия оказывает и неравномерность скорости движения поршня в цилиндре. Наименьшее значение скорости приходится на конец такта сжатия. В результате увеличивается не только время, отводимое на процесс теплообмена между воздушным зарядом и стенками камеры сгорания, но и перепад температур между ними, поэтому потери тепла воздушным зарядом возрастают [2]. Снижение скорости движения поршня и увеличенные зазоры в цилиндропоршневой группе ведут к потерям воздушного заряда, перетекающего через зазоры в картер, что приводит к снижению давления воздуха в конце такта сжатия, которое может составлять до 75% номинальной величины, и снижению температуры [4]. Низкая температура окружающего воздуха отрицательно сказывается и на качестве распыливания топлива форсунками, что также затрудняет пуск дизеля. Происходит это из-за повышения вязкости дизельного топлива и возрастания сил его поверхностного натяжения, уменьшения частоты вращения кулачкового вала топливного насоса высокого давления и скорости плунжеров нагнетательных секций, что ведет к снижению давления нагнетаемого в форсунки топлива и уменьшению скорости истечения топлива из распылителя. Происходящее при этом снижение качества распыливания топлива в сочетании со снижением температуры воздуха в конце такта сжатия увеличивают период задержки самовоспламенения топлива, также затрудняя пуск дизеля. Иногда сочетание этих факторов вообще не обеспечивает самовоспламенения дизельного топлива, и пуск дизеля становится невозможным. Практикой установлено, что надежный пуск дизелей по условиям воспламеняемости и прокачиваемости топлива можно произвести при температуре окружающего воздуха не ниже -15°С. При более низких температурах необходимо применять средства облегчения пуска дизельного двигателя [4-8]. В этой связи актуальной задачей является разработка теоретической базы, обеспечивающей комплексное имитационное моделирование предпускового режима работы дизеля в условиях сверхнизких температур окружающей среды при использовании средств облегчения пуска. 2. Разработка математической модели дизеля Существующие подходы [9-14] к математическому описанию предпускового режима работы дизеля в основном ориентированы на исследование локальных аспектов подготовки ДВС к пуску. В данной работе на примере дизеля 1Ч9,5/8,0 авторами предложено комплексное математическое описание процесса функционирования ДВС как единой динамической системы [15-17] для предпускового режима в условиях сверхнизких температур окружающей среды (до - 60 °С). Предлагаемый подход позволяет спрогнозировать уровень температуры рабочего тела в цилиндре при сверхнизких температурах окружающей среды с учетом изменения основных конструктивных и эксплуатационных параметров, таких как компрессия дизеля, пусковая частота и др. Математическая модель дизеля базируется на тепломеханике (термодинамике открытых систем) [15-17] и отражает основные особенности двигателя как системы, преобразующей энергию во времени. Для рассматриваемого одноцилиндрового дизеля 1Ч9,5/8,0 система уравнений математической модели основывается на законах сохранения энергии, массы, уравнениях движения твердых звеньев и включает 6 дифференциальных уравнений. В частности, дифференциальные уравнения скоростей изменения плотности и температуры рабочего тела в цилиндре с учетом утечек через зазоры в цилиндропоршневой группе (ЦПГ) имеют вид: , (1) . (2) Для описания изменения состояния газа в картере ДВС, который моделировался как полость переменного объема , использовались аналогичные дифференциальные уравнения: , (3) . (4) Угловая скорость и угол поворота коленчатого вала двигателя определялись из уравнений: (5) . (6) В уравнениях (1) - (6) использовались следующие условные обозначения: - время; , - температура и плотность рабочего тела в цилиндре; , - температура и плотность рабочего тела в картере; , - удельная изохорная теплоемкость рабочего тела в цилиндре и картере соответственно; , - текущий объем рабочего тела в цилиндре и картере; - площадь поршня; w и j - угловая скорость и угол поворота коленчатого вала; , , , - секундный массовый приход рабочего тела через впускной, выпускной клапаны, зазоры в ЦПГ и систему вентиляции картера, соответственно; , , , - секундный массовый расход рабочего тела через впускной, выпускной клапаны, зазоры в ЦПГ и систему вентиляции картера, соответственно; , - удельная внутренняя энергия и энтальпия рабочего тела в цилиндре; , - удельная внутренняя энергия и энтальпия рабочего тела в картере; - секундный приход энергии в форме теплоты при горении рабочей смеси; - секундный расход энергии в форме теплоты в результате теплообмена в цилиндре; - момент инерции; - движущий момент; - пусковой момент; - момент сопротивления. Движущий момент в уравнении (5) для рассматриваемого одноцилиндрового дизеля определяется следующим образом: , где p - давление рабочего тела в цилиндре; - давление рабочего тела под поршнем; - сила трения в цилиндропоршневой группе; - приведенная масса частей двигателя, совершающих возвратно-поступательное движение; ; ; ; , где - радиус кривошипа; - длина шатуна. Момент сопротивления двигателя на режиме его прокрутки стартером определялся по эмпирической формуле [1]: , где n - частота вращения коленчатого вала, мин -1; - вязкость моторного масла, сСт; - рабочий объем двигателя. Для расчета коэффициента теплоотдачи между рабочим телом и стенками двигателя использовалась формула Эйхельберга [16]. , где - средняя скорость поршня. Уравнения (1) - (6) дополнялись уравнением состояния идеального газа, а также известными зависимостями [17] для определения , , , , , , Приведенная система уравнений (1) - (6) может использоваться для моделирования работы ДВС как на режиме предпусковой подготовки с последующим пуском, так и во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя [18]. На рис. 1-3 приведены результаты расчета предпускового режима работы дизеля 1Ч9,5/8,0 при температуре окружающей среды -60 °С. Рис. 1. Изменение угловой скорости коленчатого вала дизеля Рис. 2. Изменение давления в цилиндре Рис. 3. Изменение температуры в цилиндре дизеля 3. Апробация математической модели На втором этапе была проведена проверка адекватности разработанной математической модели. Сравнение результатов моделирования осуществлялось с результатами эксперимента в холодильной камере (рис. 4). При температурах в холодильной камере от -20 °С до -60 °С двигатель тремя попытками прокручивался стартером в течение 10 секунд с интервалом между попытками 30 с. Рис. 4. Холодильная камера с дизелем 1Ч9,5/8,0 при температуре -60 °С Измерение температуры рабочего тела в камере сгорания осуществлялось датчиком с хромель-копелевой термопарой с последующим осреднением. В табл. 1 приведены расчетные и экспериментальные значения средних температур рабочего тела в камере сгорания дизеля 1Ч9,5/8,0. Таблица 1 Расчетные и экспериментальные средние значения температуры рабочего тела в камере сгорания дизеля 1Ч9,5/8,0 № п/п (°С) (°С) (°С) 1 -20 69,0 70,7 2 -30 56,2 61,3 3 -40 43,8 47,7 4 -50 28,0 30,7 5 -60 15,3 16,0 Из табл. 1 видно, что расхождения в определении по математической модели средних значений температуры tрасч не превышают 10% по сравнению с экспериментальными данными tэксп. Заключение Таким образом, разработанное авторами математическое и программное обеспечение позволяет получить для предпускового режима работы дизеля закономерности изменения параметров состояния рабочего тела в цилиндре при низких температурах окружающей среды. Погрешность в определении средней температуры рабочего тела в цилиндре по сравнению с экспериментом не превышает 10%. Полученные результаты можно использовать для анализа соответствия температуры в цилиндре температуре самовоспламенения топливовоздушной смеси с учетом изменения компрессии дизеля.
×

## About the authors

### M. YU Yelagin

Tula State University

Email: aiah@yandex.ru
DSc in Engineering Tula, Russia

### D. V Pavlov

Tula State University

Email: aiah@yandex.ru
Tula, Russia

### R. N Khmelev

Tula State University

Email: aiah@yandex.ru
DSc in Engineering Tula, Russia

## References

1. Шапран В.Н., Стрелков Д.Н. К проблеме обеспечения надежного пуска дизеля в условиях низких температур и возможности использования СВЧ нагрева топлива и моторного масла // Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». М.: МГТУ «МАМИ». С. 208-215.
2. Белов М.П., Бурячко В.Р., Акатов Е.И. Двигатели армейских машин. Часть первая. Теория [Текст]. М.: Воениздат, 1971.
3. Павлов Д.В., Хмелев Р.Н. Особенности эксплуатации малоразмерных дизельных двигателей в условиях Арктики // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. 2016. Т. 3. № 3(6). С. 241-247.
4. Чижков Ю.П., Квайт С.М., Сметнев Н.Н. Электростартерный пуск автотракторных двигателей. М.: Машиностроение, 1985. 160 с.
5. Оберемок В.З., Юрковский И.М. Пуск автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1979. 118 с.
6. Карташевич А.Н., Кухаренок Г.М., Гордеенко А.В., Разинкевич Д.С. Улучшение пусковых качеств автотракторных дизелей в зимний период эксплуатации. Монография. Белорусская государственная сельскохозяйственная академия. Минск.: Изд. ООО «Красико-Принт», 2005, 180 с.
7. Квайт С.М., Менделевич Я.А., Чижков Ю.П. Пусковые качества и системы пуска автотракторных двигателей. М.: Машиностроение, 1990. 256 с.
8. Мараховский В.П. Низкотемпературный пуск форсированных дизельных двигателей // Двигатели внутреннего сгорания. Всеукраинский научно-технический журнал, 2004. № 2. C. 135-137.
9. Камалтдинов В.Г., Марков В.А. Холодный пуск двигателя. Результаты исследования процессов подачи и распыливания топлива // Автомобильная промышленность. 2010. № 9. С. 9-11.
10. Харитонов В.В. Повышение эффективности пуска автотракторного дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха. Автореф. дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук, Москва, 2005. 19 с.
11. Шавлов А.В. Улучшение пусковых характеристик дизелей типа В-2 с комбинированной системой подготовки запуска совершенствованием системы термостатирования масла. Автореф. дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук, Барнаул, 2012. 19 с.
12. Козлов А.А. К вопросу о повышении эффективности пуска дизеля // Вестник СиБАДИ. 2018. Т. 15. № 5. С. 650-659.
13. Карноухова И.В. Определение оптимальной температуры воздуха во впускном коллекторе двигателя // Вестник СибАДИ. 2014. № 3(37). С. 7-12.
14. Park J.K. Simulation of starting process of diesel engine under cold condition // International Journal of Automotive Technology. 2007. № 3. Vol. 8. pp. 289-298.
15. Елагин М.Ю. Математическое моделирование нестационарных процессов в открытых термодинамических системах. Тула: Изд-во ТулГУ, 1999. 112 с.
16. Елагин М.Ю. Термодинамика открытых систем. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 400 с.
17. Хмелев Р.Н. Математическое и программное обеспечение системного подхода к исследованию и расчету поршневых двигателей внутреннего сгорания. Монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 229 с.
18. Малиованов М.В., Хмелев Р.Н. Разработка методики проектировочных расчетов поршневых двигателей внутреннего сгорания // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. 2012. Т. 1. С. 290-293.

## Statistics

### Views

Abstract: 40

PDF (Russian): 10

### PlumX

Copyright (c) 2020 Yelagin M.Y., Pavlov D.V., Khmelev R.N.