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

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

Supplementary files