Особенности процесса сгорания в дизеле 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи

В Вятской государственной сельскохозяйственной академии на базе кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов осуществлена разработка дизеля 2Ч 10,5/12,0 для работы на метаноле с использованием двойной системы топливоподачи. В работе приводится анализ индикаторных показателей, особенности процессов сгорания и тепловыделения дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на дизельном топливе и на метаноле с двойной системой топливоподачи.

Ключевые слова: дизель, альтернативное топливо, метанол, двойная система топливоподачи.

Для изучения особенностей протекания процесса сгорания в дизеле 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле с ДСТ в соответствии с целью, задачами исследований и методикой нами проводилось индицирование на номинальном скоростном режиме при частоте вращения n = 1800 мин^-1 и на режиме максимального крутящего момента при n = 1400 мин^-1. Индикаторные диаграммы снимались на оптимальных установочных УОВТ, при постоянной цикловой подаче ДТ и цикловой подаче метанола, обеспечивающей поддержание значения среднего эффективного давления на том уровне, при котором проводилось индицирование опытного дизеля [1–3].

На рисунке 1,а приведены индикаторные диаграммы опытного дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на ДТ и при работе на метаноле с ДСТ при частоте вращения n = 1800 мин^-1 и p_е = 0,585 МПа. Результаты индицирования показывают некоторое увеличение максимального давления сгорания р_zmax. Так, у опытного дизеля значение р_{zд max} = 6,97 МПа, а при работе дизеля на метаноле с ДСТ значение возрастает до р_{zм max} = 7,09 МПа. Соответственно значения максимальной «жесткости» процесса сгорания (dp/dj)_max составляют для опытного дизеля 0,490 МПа/градус, а при работе дизеля на метаноле с ДСТ — 0,290 МПа/градус. При этом следует отметить, что процесс сгорания при работе дизеля на метаноле с ДСТ несколько сдвигается на линию расширения. Если для опытного дизеля максимальное давление цикла р_zmax достигается при значении угла j = 7,0^° после в. м.т., то при работе дизеля на метаноле с ДСТ при j = 10,1^° после в. м.т. Аналогичные выводы можно сделать и из анализа индикаторной диаграммы, снятой на частоте вращения n = 1400 мин^-1 (рис. 1,б).

а)

б)

Рис. 1. Влияние применения метанола с ДСТ на индикаторные диаграммы дизеля 2Ч 10,5/12,0: а — при n = 1800 мин^-1; б — при n = 1400 мин^-1: ― — дизельный процесс, — - — - метанол с запальным ДТ

Для опытного дизеля при р_е = 0,594 МПа р_{zд max} = 7,03 МПа, а при работе дизеля на метаноле с ДСТ и тех же значениях среднего эффективного давления р_{zм max} = 7,42 МПа. Значения максимальной «жесткости» (dp/dj)_max при работе дизеля на метаноле с ДСТ снижаются и на этом скоростном режиме. Так, (dp/dj)_max = 0,581 МПа/градус у опытного дизеля, а при работе дизеля на метаноле с ДСТ (dp/dj)_max = 0,372 МПа/градус. Процесс сгорания при работе дизеля на метаноле с ДСТ также сдвигается на линию расширения. Максимальное давление цикла у опытного дизеля достигается при угле j = 6,0º после в. м.т., а при работе дизеля на метаноле с ДСТ — при угле j = 7,8º после в. м.т.

Из результатов обработки индикаторных диаграмм, представленных на рисунке 2, видно, что характеристики тепловыделения и осредненная температура газов в цилиндре изменяются при работе дизеля на метаноле с ДСТ [4–7]. Так, при частоте вращения n = 1800 мин^-1 и р_е = 0,585 МПа (рис. 2,а) максимальная осредненная температура цикла Т_max для опытного дизеля составляет 1920 К и наблюдается при угле j = 18,5º после в. м.т., при работе дизеля на метаноле с ДСТ значение Т_max = 1960 К достигается при угле j = 21º после в. м.т.

Анализируя графики тепловыделения, можно сделать выводы, что первоначально скорость тепловыделения в результате экзотермических реакций окисления мала и преобладает скорость отвода теплоты. Поэтому результирующая скорость тепловыделения до определенного момента отрицательна. В дальнейшем скорость выделения теплоты в результате экзотермических реакций начинает превышать скорость стока теплоты, и результирующая скорость тепловыделения становится положительной. При этом при работе на метаноле с ДСТ характерно увеличение скорости тепловыделения и сдвиг максимума скорости вправо от в. м.т. Если для опытного дизеля максимум скорости тепловыделения (dχ/dj)_max = 0,050 и наблюдается в в. м.т., то при работе дизеля на метаноле с ДСТ значение (dχ/dj)_max = 0,059 и достигается при угле j = 9º после в. м.т. Из графика выделения теплоты χ, активного тепловыделения χ_i и динамики использования теплоты видно, что величина активного тепловыделения χ_i = 0,425, соответствующая максимальному давлению сгорания р_zmax, для опытного дизеля достигается при угле j = 7,0º после в. м.т.

При работе дизеля на метаноле с ДСТ при этом значении угла j величина χ_i составляет уже 0,52 от общего тепловыделения, т. е. скорость тепловыделения нарастает более интенсивно. При угле j = 10,1º после в. м.т., соответствующем р_{zм max}, активное тепловыделение χ_i достигает значения 0,60.

а)

б)

Рис. 2. Влияние применения метанола с ДСТ на характеристики тепловыделения дизеля 2Ч 10,5/12,0: а — при n = 1800 мин^-1; б — при n = 1400 мин^-1; ¾ — дизельный процесс; — - — - метанол с запальным ДТ

Во второй фазе тепловыделения при угле j = 18,5º после в. м.т., соответствующем максимальной осредненной температуре цикла T_max для опытного дизеля, χ_i = 0,57. При работе дизеля на метаноле с ДСТ значение максимальной осреднённой температуры достигается уже при угле j = 21º после в. м.т., а значение активного тепловыделения составляет χ_i = 0,79, т. е. тепловыделение идет в данном случае более активно. Это также подтверждается и тем, что скорость тепловыделения при работе дизеля на метаноле с ДСТ выше, чем у опытного дизеля, начиная с угла j = 2º после в. м.т.

На частоте вращения n = 1400 мин^-1 (рис. 2,б) прослеживаются аналогичные особенности протекания процесса сгорания при работе дизеля на метаноле с ДСТ. В первой фазе сгорания, до р_zmax, выгорание топлива начинается позднее, скорость тепловыделения выше, чем у опытного дизеля. Так, χ_i = 0,44, соответствующее максимальному давлению сгорания при работе дизеля на ДТ, достигается при угле j = 6,0º после в. м.т., а при работе дизеля на метаноле с ДСТ при максимальном давлении р_zmax значение χ_i равно 0,63, но уже при угле j = 7,8º после в. м.т. Соответственно, и скорость тепловыделения для опытного дизеля составляет 0,051, а при работе дизеля на метаноле с ДСТ — 0,061. Во второй фазе сгорания процесс активизируется, скорость тепловыделения при работе дизеля на метаноле с ДСТ, начиная с угла j = 3º после в. м.т., выше, осредненная температура цикла достигает максимального значения уже при угле j = 18º после в. м.т., что на 2 градуса п. к.в. позднее, чем у опытного дизеля.

Анализируя график активного тепловыделения, можно сделать вывод, что по мере развития процесса сгорания величина активного тепловыделения возрастает, и если бы отсутствовала теплоотдача в стенки и сгорание было полным, то в некоторый момент, соответствующий завершению сгорания и рекомбинации диссоциированных молекул, значение активного тепловыделения χ_i составило бы 100 %. Но из-за наличия теплоотдачи, а также некоторой неполноты сгорания рабочего заряда в цилиндре, в частности в пристеночных слоях, кривая активного тепловыделения расположена ниже. В некоторой точке она достигает максимума, отвечающего равенству скоростей тепловыделения и теплоотвода, после чего значение активного тепловыделения χ_i начинает уменьшаться из-за того, что превалирует теплоотдача. При этом при работе дизеля на метаноле с ДСТ этот максимум расположен выше, чем при работе дизеля на ДТ.

Таким образом, при применении метанола в качестве моторного топлива с использованием ДСТ максимальная «жесткость» процесса сгорания снижается, при этом тепловыделение во второй фазе идет более активно, т. е. увеличение процентного выгорания топлива приводит к снижению доли потерь теплоты в этот период. Это вызывает увеличение коэффициента активного тепловыделения, что предопределяет более эффективное использование теплоты в цилиндре дизеля в начальный период сгорания основной части топлива. Также следует отметить, что интенсивность тепловыделения в период быстрого горения, определяющая величину максимальной «жесткости» (dр/dj)_max, зависит от массовой скорости выгорания топлива. Так как процесс воспламенения топлива в дизеле имеет многоочаговый характер, массовая скорость выгорания топлива обусловливается концентрацией активных продуктов — промоутеров, инициирующих воспламенение, и объемом испарившегося топлива.

Литература:

1.         Лиханов В. А., Чувашев А. Н. Исследование рабочего процесса дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи: Монография. — Киров: Вятская ГСХА, 2007. — 129 с.

2.         Лиханов В. А., Чувашев А. Н., Анфилатов А. А., Глухов А. А. Улучшение экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи: Монография / Под общ. ред. В. А. Лиханова. — Киров: Вятская ГСХА, 2009. — 334 с.

3.         Лиханов В. А., Чувашев А. Н., Полевщиков А. С., Долгих М. А., Верстаков С. А. Эффективные и экологические показатели дизеля с двойной системой топливоподачи. Тракторы и сельхозмашины, 2011. — № 10, с.8–10.

4.         Улучшение экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле / В. А. Лиханов, А. Н. Чувашев, А. А. Глухов, А. А. Анфилатов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 2007. — № 3. — С. 8–11.

5.         Улучшение эффективных и экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле / В. А. Лиханов, А. Н. Чувашев, А. А. Глухов, А. А. Анфилатов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 2007. — № 4. — С. 10–13.

6.         Чувашев А. Н. Исследование рабочего процесса дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Санкт-Петербург, 2007. — 18 с.

7.         Чувашев А. Н. Исследование рабочего процесса дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле с двойной системой топливоподачи. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Киров, 2007. — 167 с.