Физические основы и математическое моделирование процессов сажевыделения и теплового излучения в дизелях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, доктор технических наук Батурин, Сергей Ануфриевич

• Батурин, Сергей Ануфриевич
• доктор технических наук
• 1982

Оглавление диссертации доктор технических наук Батурин, Сергей Ануфриевич

ВВЕДЕНИЕ. б

1. ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. 1У щ I.I. Литература.

2. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЖГОДОВ И СРЕДСТВ ИССЛЕДОВАНИИ РЕЗУЛЬТИРУЮЩЕГО САЖЕШДЕяЕНШ И ИЗЛУЧАТЕЛШЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ДИЗЕЛЬНОГО ПЛАМЕНИ

2.1. Теоретический анализ структуры и оптических свойств светящихся сажистых пламён.

2.2. Физические основы метода лазерного оптического ин-дицирования цилиндра дизеля

2.3. Физическая модель и схема расчета нестационарного плоского температурного поля в камере сгорания дизеля

2.4. Специальный измерительный комплекс, методика эксперимента и обработка опытных данных

2.5. Оценка погрешности метода и рекомендации по его применению.

2.6. Литература.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗУЛЬТИРУЮЩЕГО САЖЕВЫДЕ ЛЕШЯ В ЦМИНДРАХ ДИЗЕЛЕЙ РАЗНОГО ТИПА И НАЗНАЧЕНИЯ. УО

3.1. Влияние нагрузочного и скоростного режимов работы. Уб

3.2. Влияние регулировочных,конструктивных и эксплуатационных факторов

3.3. Исследование эффективности работы дизеля на во до -топливных эмульсиях.

3.4. Исследование динамики сажевыделения в переходных процессах пуска двигателя

3.5. Обобщенный анализ процесса сажевыделения в дизелях 134 4 3.6. Выводы и рекомендации.

3.7. Литература.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАЗОВАНИЯ И ШГОРАШЯ САШ В

ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛИ.

4.1. Состав,структура и свойства конденсированного продукта сгорания

4.I.I. Форма и дисперсность сажи.

4Л.2. Структура и физико-химические свойства

4.2. Образование сажи при пиролизе углеводородов

4.3. Физико-химический многостадийный механизм образования сажи в дизелях.

4.3.1. Первичное разложение топлива.

4.3.2. Крекинг индивидуальных углеводородов

4.3.3. Образование химических радикалов-заро -дышей.

4.3.4. Образование физического зародыша

4.3.5. Поверхностный рост частиц

4.4. Физико-химический механизм выгорания сажи в дизеле

4.5. Математическая модель и методика расчёта результирующего сажевыделения в цилиндре и данности отработавших газов дизеля

4.6. Аналитическое исследование мгновенного сажевыделения в дизелях.

4.7. Выводы.

4.8. Литература

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

РАДИАЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕНА В ДИЗЕЛЯХ.

5.1. Физические особенности и определяющие характе-\ ристики теплового излучения в дизелях

5.2. Анализ результатов экспериментального исследования основных характеристик теплового излучения в цилиндре дизеля.

5.2.1. Спектральная степень черноты

5.2.2. Действительная и среднемассовая температура излучателя

5.2.3. Излучательнне характеристики при переходных процессах

5.3. Аналитические методы определения излучательных характеристик дизельного пламени

5.4. Физико-математическое моделирование локального радиационного теплообмена в замкнутой цилиндрической системе

5.5. Постановка и решение фундаментальной задачи о локальном нестационарном радиационном теплообмене в цилиндре дизеля

5.5.1. Постановка фундаментальной задачи

5.5.2. Решение

5.5.3. Расчет геометрических локальных угловых коэффициентов излучения

5.5.4. Расчет средних угловых коэффициетов излучения.

5.6. Применение итерационно-зонального метода к численному исследованию радиационного теплообмена в дизелях

5.6.Х. Решение контрольной задачи

5.6.2. Лучистый теплообмен в дизеле с камерой сгорания и Гессельман "

5.6.3. Численный анализ излучающей системы датчика-радкометра

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физические основы и математическое моделирование процессов сажевыделения и теплового излучения в дизелях»

Поршневые двигатели внутреннего сгорания /ДВС/ являются важнейшей составной частью энергетической базы народного хозяйства. Суммарная мощность действующего парка ДВС, превышающего 21 млн. штук, на начало 1978 г. достигла 1795 млн. л.е., что в 5,5 раза больше установленной мощности всех стационарных электростанций /3/. Двигатели внутреннего сгорания играют определяющую роль в развитии тракторного и сельскохозяйственного машиностроения, автомобилестроения, тепловозостроения, судостроения, строительно-дорожного, нефтедобывающего, милиоративного машиностроения и других отраслей народного хозяйства.

Технический уровень ДВС имеет большое значение в решении топливно-энергетической проблемы, которая усугубляется начавшимся в середине 70-х годов мировым топливно-энергетическим кризисом. Так, в СССР действующий парк ДВС потребляет 90^ бензина, 8Ш дизельного топлива и 84^ моторных масел, шрабатываемых в стране. Поэтому вполне очевиден тот большой народнохозяйственный экономический эффект, который может быть получен за счет улучшения экономических характеристик ДВС путем их дальнейшего технического совершенствования. Например, снижение эффективного удельного расхода топлива действующего жарка ДВС на I г /элеч, дает экономию топлива I млн. т/год.

Партия и правительство постоянно уделяют большое внимание развитию двигателестроения в нашей стране. В директивных документах ХХУ и ХХУ1 съездов КПСС, Пленумов ЦК КПСС и СМ СССР ускорение технического прогресса двигателестроения рассматривается как одно из важнейших направлений развития народного хозяйства. Большое значение для развития отрасли имеет состоявшееся в марте 1978 г. Совещание в ЦК КПСС по вопросам отечественного двигателестроения /I/. На этом совещании была намечена долгосрочная программа развития двигателестроения, указаны пути ускорения научно-технического прогресса вотрасли на основе решения основных задач настоящего времени и удовлетворения перспективных требований к ДВС ближайшего будущего, К настоящему времени закончена разработка комплексной научно-техни-ческой программы развития двигателестроения, которая концентрированно отражена в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года", принятых ХХУ1 съездом КПСС /2/,В числе первоочередных задач названы - повышение агрегатной мощности, надежности работы и моторесурса, улучшение экономических и экологических характеристик, совращение сроков создания и доводки ДВС. Главной из названных задач является - повышение экономичности при одновременном снижении суммарной токсичности /3,5/. В этой связи приведем высказывание зам.председателя ГННТ СССР проф. М.Г.Круглова: ". Особое внимание должно быть уделено работам по снижению токсичности ДВС: необходимо прежде всего направить усилия на разработку малотокеичных рабочих процессов, обеспечивашшщих снижение токсичности при условии сохранения высокой экономичности силовых установок. Дальнейший технический прогресс двигателестроения как перспективной отрасли энергетики требует скорейшего развертывания углубленных поисковых научно-исследовательских работ в ряде направлений, например:- углубленное исследование рабочего процесса и путей его интенсификации при условии снижения токсичности выпускных газов на основе последних дощтижений физики и физической химии;- поисковые и опытно-конструкторские работы для расширения топливной базы ДВС.Х./3/. Все сказанное в равной мере относится ккарбюраторным двигателям и дизелям всех типов и назначений.

Из всех типов ДВС наиболее многочисленную группу представляют автотранспортные двигатели, потребляющие более 40^ всего моторного топлива, выпускаемого в стране. Эти двигатели являются также однимиз основных источников загрязнения воздуха в густонаселенных районах и крупных городах. Здесь на долю транспортных двигателей приходится от 40 до вредных веществ от общего загрязнения атмосферы промышленными выбросами; 9(Ж окиси углерода и 7006 окислов азота, содержащихся в атмосфере крупных городов, своим происхождением обязаны городским транспортным средствам с ДВС.

В общем ряду экологических проблем одно из первых мест занимает проблема загрязнения воздушного бассейна. Это связано с тем, что загрязнение атмосферного воздуха оказывает немедленное воздействие на человека, зооеферу, биосферу; приносит огромный социальный и материальный ущерб. Если условно принять суммарную токсичность отработавших газов /ОТ/ 4-х тактных дизелей с непосредственным впрыском за 100^ /без учета данности/, то токсичность карбюраторных бензиновых двигателей составит 250-30Ш. Значительные преимущества дизельных двигателей по экономичности и токсичности 0Г предопределили широкую программу дизелмзации автомобильного транспорта, осуществляемую в нашей стране /4/. Программой предусматривается перевод на дизельный привод прежде всего грузового и автобусного парка, а так же строительно-дорожной техники. Непрерывно наращивается выпуск дизелей транспортного назначения на КаМАЗе и ЯМЗе, создаются мощности по производству дизелей на п/о "Автозиля и "Автогаз". В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1885 годы и на период до 1990 года записано: "Увеличить производство дизельных двигателей с высокими технико-экономическими показателями и создать двигатели к строительно-дорожным машинам большой мощности..Ускоренно развивать производство грузовых автомобилей с дизельными двигателями. Освоить выпуск новых высокоэффективных карьерных самосвалов особо большой грузоподъемности, самосвалов общего назначения и автобусов с дизельными двигателями".хЗдесь и далее подчеркнуто автором настоящей работы.

Дизелизация автотранспорта и строительно-дорожной техники уже приносит и будет приносить значительную экономию в расходовании моторных тошшв, но она не уменьшает проблемы загрязнения атмосферного воздуха. Бесспорно, при сгорании топлива в дизеле выделяется значительно меньшее количество газообразных токсичных продуктов СО, К10х, (^[у. Но внутреннее смесеобразование и диффузионное сгорание крайне неоднородной топливно-воздушной смеси в дизеле всегда сопровождаются интенсивным выделением твердого углерода в виде сажистых частиц, которое определяет дымность выпуска дизелей. В карбюраторных и газовых двигателях с внешним смесеобразованием сажа практически не образуется. Сам по себе факт сажеобразования и связанная с ним дымность ОГ дизелей не вызывали особых тревог и не возбуждали большого интереса исследователей до тех пор, пока не была убедительно доказана высокая концерогенная опасность и токсичность дизельной сажи, а также существенная роль теплового излучения сажистого пламени в суммарной теплопередаче в стенки цилиндра. Действительно, сажа, как углеродистое образование,не токсична. Однако, многочисленные исследования показали, что дизельная сажа адсорбирует на своей поверхности сильнейшие концерогенные и токсические вещества. Причем, вследствии мелкодисперсной структуры до 9096 сажистых частиц в течении нескольких суток после выброса в атмосферу остаются во взвешенном состоянии, усугубляя тем самым опасность для человека.

Исключить полностью токсичность ОГ ДОС невозможно, но снизить ее до пределов максимальной безопасности для человека и окружающей среды возможно и на это направлена в настоящее время научная и инженерная мысль в области двигателестроения. Проблема решается различными способами, которые в первом приближении можно объединить по следующим признакам: воздействие на условия эксплуатации, возюдействие на топливо, воздействие на двигатели.

Качественное улучшение условий эксплуатации и уменьшения суммарного выброса вредных веществ достигается:- оптимальной организацией и планированием транспортных перевозок; расширением сети специальных путепроводов, развязан, многоярусных эстакадных дорог и т.д.; эффект достигается за счет максимального сокращения времени работы двигателей на переходных, неустановившихся и частичных режимах;- повышение качествфехнического обслуживания; увеличение количества пунктов техобслуживания, оснащенных новейшей контрольно-диагностической аппаратурой; повышение качества ремонта, регулировоки т.п. - позволяют избежать нарушений рабочего процесса, сопровождаемых интенсивным выделением токсических веществ;- государственная законодательная регламентация предельно допустимых концентраций вредных компонентов ОГ ДВС наряду с ограничением вредных выбросов в атмосферу призвана стимулировать научно-исследовательские и конструкторские работы по созданию малотоксичных ДВС.

Под воздействием на топливо понимается: применение в ЛВС газообразных топлив /природный газ и его производ-- -зше, аммиак, водород/, применение антидымных и антитоксичных присадок к топливу, разработка и создание новых видов топлив.

Применение газовых топлив в ДВС с точки зрения снижения токсичности имеет большую перспективу. Так, перевод карбюраторного двигателя с бензина на сжжиженный газ снижает суммарную токсичность ОГ в 4-5 раз /М0Х на 65%, СО на 85%, С^ на &Ж/. В настоящее время разработаны и осваиваются в производстве газобаллоные автобусы, грузовые и легковые автомобили. Применение в качестве моторного топлива аммиака и водорода практически полностью устраняет выброс в атмосферу СО, С&,, сажи и углеводородов, в 10 и более раз уменьшаетсяААвыходПринципиальнве технические вопросы создания собственно водородного двигателя в болыпенстве своем решены. Но экономическая целесообразность широкого применения таких двигателей остается проблематичной до тех пор, пока не будет решена проблема дешевого способа получения этих газов и их хранения в условиях эксплуатации. Возможно, что более рациональным окажется применение водорода в ДВС в качестве присадок к основному топливу.

В нашей стране и за рубежом интенсивно ведутся работы по созданию и исследованию на экономичность и токсичность новых видов моторных топлив на основе метанола, спиртов, синтетические альтернативные топлива. Впервые принцип "конструирования" топлива по заданным требованиям был сформулирован Ю.В.Свиридовым /II/, под руководством которого успешно ведутся работы по исследованию моторных топлив широкого фракционного состава.

Государственная программа экономии и рационального использования природных ресурсов, предусматривает сокращение потребления нефти и газа в качестве топлива, т.к. нефть и газ являются ценнейшим, практически безотходным сырьем для химической промышленности. Поэтому будет расширятьсфрименение в ДВС тяжелых высокосерниетых моторных топлив, газового конденсатора и низкосортных исскуственннх топлив /б/. Следовательно задача повышения экономичности и снижения токсичности значительно усложняется. В этой связи приведем выдержки из письма акад. Н.Н.Семенова в СЖ СССР: "В связи с истощением мировых запасов нефти сейчас весьма остро ставится вопрос о получении жидких топлив путем газификации угля. При этом, по мнению Министерства химической промышленности дальнейний путь получения разнообразных органических продуктов, в том числе и легких жидких- топлив /бензинов/ должен осуществляться на основе СО, Н£ и метилового12.спирта, легко получаемого из этих газов давно известным путем". Следовательно, уже сейчас рабочий процесс и конструкция двигателя должны приспосабливаться под более тяжелые условия работы на низкосортных топливах.

К третьей группе способов снижения токсичности ОГ ДЗС, условно названной - воздействие на двигатель, относятся: исскуственные методы рециркуляции, нейтрализации и дожигания выпускных газов; создание новых малотоксичных установок, совершенствование рабочего процесса и конструкции.

Первый из названных способов получил достаточно широкое применение, т.к. позволяет наиболее просто понизить токсичность двигателя до установленных норм. Однако применение системы рециркуляции и нейтрализации значительно увеличивает стоимость транспортного средства и почти вдвое снижает экономичность. Причем, по мере ужесточения норм на токсичность ОГ экономические затраты на их обеспечение этим способом резко возрастают. Поэтому методы исскус-твенной нейтрализации применяются главным образом на двигателях, работающих в условиях ограниченного воздухообмена /шахты, карьерыи т.п./.

Что касается создания новых малотоксичных двигателей, то можно ожидать, что первоочередные проблемы, связанные с созданием ма-дотоксичных двигателей Стирлинга, Сарича, Ренкина будут решены к 1990 году, после чего возможно их применение в ограниченном количестве. Но основным транспортным двигателем остается быстроходный малотоксичный дизель.

Краткий обзор рассмотренных методов снижения токсичности ДВС показывает, «то на современном уровне развития полезная эффективность их ограничена. Поэтому решение проблемы снижения токсичности и повышения экономичности ДВС особенно при работе на низкосортныхсинтетических топливах этими методами достигнуто быть не может. Проблема может быть решена только в результате качественного совершенствования рабочего процесса и конструкции ДВС, путем устранения причин образования вредных веществ и создания оптимальных условий для сгорания топлива. Для карбюраторных бензиновых двигателей в настоящее время имеются и принципиальные и практические конструктивные решения. Одно из таких решений основывается на научном открытии явления высокой химической активности продуктов неполного сгорания богатой смеси, сделанном в ИХФ АНСССР7 На основе этого открытия был разработан форкамерно-факельный процесс лавинной активации горения /ЛАГ-процесс/, который практически реализован на двигателях автомобилей ГАЗ и ЗИЛ. Всесторонние эксплуатационные испытания двигателей с форкамерно-факелышм зажиганием в различных дорожных и климатических условиях показали, что средний эксплуатационный расход топлива снижается на 10существенно уменьшается токсичность ОГ /С^йу в 15-20 раз, Юх в 3-4 раза, СО - практически полностью устраняется/, снижаются требования к сорту бензина на 10 единиц октанового числа /7/. Основным недостатком клапанной конструктивной схемы форкамерных двигателей является ограничение ресурса применяемых топлив только карбюрируемыми высокооктановыми топливами. Необходимость использования в одном и том же двигателе разных топлив с одинаковой эффективностью заставили продолжить поиски наиболее рационально^ организации смесеобразования и сгорания, в том числе и при форкамерн©-факельном процессе. Наибольший практический интерес ш множества различных разработок представляют два решения: форкамерный двигатель с направленным впрыском топлива и двигатель с пленочно-испаритель.^ ной системой смесеобразования. В первой схеме, разработанной и подробно исследованной в АзПИ им.Ч.йльдрыма /8/, осуществляетсярабочий процесс управляемым расслоением заряда и двухстадийным сгоранием. При оптимальном сочетании химико-кинетического и газо-гид-родинамического факторов в таком Двигателе достигается высокая эффективность по экономичности и токсичности на бензинах всех сортов. Созданные опытные образцы двигателей проходят всесторонние заводские испытания в п/о "Автогаз".

Во второй схеме экономический и экологический эффект достигается за счет предельной гомогенизации заряда путем гарантированного полного испарения топлива вне цилиндра. Большим преимуществом этой ехемы является принципиальная возможность использования топлив с различными физико-химическими и моторными свойствами. Двигатель с пденочно-иепарительным смесеобразованием разработан в ЩИТА /9/ -и к настоящему времени прошел стендовые и ходовые эксплуатационные испытания. IТаким образом, в области "легвотопливного" двигателестроения имеются реальные предпосылки для качественного улучшения всех тех-нико-экономических показателей этих двигателей.

Решение основных проблем в области дизелестроения также во многом определяется возможностью рациональной управляемай организации процессов смесеобразования и сгорания, составляющих основу рабочего процесса дизеля, йненно качественное протекание процесса сгорания оказывает решающее влияние на полноту сгорания топлива, сос тав и количественный выход вредных продуктов, на динамику тепловыделения, уровень механических и тепловых нагрузок, т.е. в конечном итоге определяет основные характеристики технического совершенства дизеля - его экономичность, суммарную токсичность, надежность и долговечность работу. Возможность управления процессом сгорания в дизеле позволит целенаправленно воздействовать на механизм образования вредных веществ и понизить их выход до минимума. Но очевидно, что рациональное управление любым процессом должно базироваться на глубоком физическом понимании всех явлений, составляющих этот процесс. Если с этих позиций посмотреть на развитие науки о сгорании в дизелях, то можно отметить что наши знания в этой области явно недостаточны и значительно уступают уровню знаний в других технических приложениях энергетического и технологического горения. Сложная взаимосвязь большого числа быст-ропротекающих явлений, юг наложение во времени, а также условия дефицита времени, нестационарности и неравновесности, больших абсолютных значений и большого диапазона изменения физических параметров среды - всё это объективно обуславливает значитель-ныезтрудности изучения процессов смесеобразования и сгорания как непосредственно в условиях дизеля, так и путём физического моделирования отдельных процессов и явлений. Попытки создания адекватных физических и обобщённых математических моделей рабочего процесса дизеля и его отдельных составлящих, призванные значительно со!фатитъ трудоёмкий и дорогостоящий натурный эксперимент, наталкиваются на недостаточность наших знаний о механизме основополагающих процессов и явлений.

Несмотря на то, что изучению процесса сгорания в дизеле посвящено большое: число теоретических, экспериментальных и расчётных работ, до наетоящепо времени фактически! отсутствует общепризнанная теория, адекватно отражающая физическую природу и особенности рабочего процеесфрщеля. Такая обобщающая теория должна основываться на ясных физических представлениях о всех стадиях процесса в камере сгорания дизеля от подачи топлива до его сгорания. Многочисленные попытки описания процесса сгорания в дизеле в виде единой функциональной зависимости! тепловыделения от доли впрыснутого топлива без детальной расшифровки сущностивсех составных частей процесса не могут претендовать на общность. Это тем более очевидно, что отдельные процессы - смесеобразование, воспламенение и горение, имеют различную физическую природу и подчиняются различным физико-химическим закономерностям. "Последовательная расшифровка каждого элементарного процесса - вот единственный путь овладения закономерностями развития процесса сгорания в дизеле, как бы он нш был сложен ж длителен" /10/. В этих словах Ю.Б.Свиридова заключены стратегия и тактика развития науки; о сгорании в дизелях, которое предполагает углубление исследований на стыках изучаемых процессов, проникновение в физическую сущность явлений путём широкого привлечения опытного материала, экспериментальных методов и математического аппарата фундаментальных и смежных технических наук.

Известно, что диффузионное сгорание неоднородной смеси в цилиндре дизеля всегда сопровождается интенсивным сажевыделени-ем. Основная причина этого явления заключается в реальном существовании локальных физических условий для протекания реакций высокотемпературного пиролиза углеводородов топлива. В сложной цепи причинно-следственных связей большого числа быстропротекаю-щих процессов в камере сгорания дизеля процесс сажевыделения занимает вполне определённое самостоятельное место. Являясь обязательной составной частью процесса сгорания жидкого распыленного топлива в дизеле, процесс сажевыделения играет определяющую роль в вопросах дымностн, токсичности и концерогенной опасности 0Г, и практически полностью определяет условия объемного теплового изл лучения в цилиндре. Поэтому глубокое изучение этого процесса, как одного из последовательных этапов сгорания, имеет большое научное и практическое значение.

Сажевыделение качественно связанно с предшествующими процессами смесеобразования, воспламенения и формирования фронта пла пламени. Рассматривая развитие процесса сажевыделения с определенаног о момента времени, а именно с момента формирования начального фронта пламени, необходимо быть уверенными, что предшествующие процессы не лимитируют возможности нашего познания изучаемого процесса. Это становиться возможным, если физическая природа изучаемого явления достаточно индивидуальна и подчиняется строгим фи-зико-химическим законам; если основные теоретические предпосылки достаточно фундаментальны и не зависят от количественных характеристик системы в рамках их предполагаемого изменения. Таким образом, физика процесса сажевыделения должна однозначно объяснять механизм образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля, а влияние процесса смесеобразования проявиться через формирование необходимых и достаточных условий для развития сажевыделения по известном му механизму. В этом случае любое развитие теории смесеобразования будет дополнять теорию сажевыделения, уточнять расчетные схемы результирующего сажевыделения. Так, углубление наших знаний о локальном распределении паров топлива и воздуха позволит перейти от интегральных по объемному распределению концентраций сажи и локальных температур пламени. Но уже современное состояние теории смесеобразования в дизеле и теории углеводородных пламен, дополненные специальными экспериментальными исследованиями позволяют сформировать принципиальные основы теории сажевыделения и теплового излучения в дизелях.

Настоящая работа, выполненная на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Ленинградского политехнического института имени М.И.Калинина, посвящена исследованию и разработке физических основ теории сажевыделения и лучистого теплообмена в дизелях. В работе обобщены теоретические и экспериментальные исследования результирующего сажевыделения, локальных температур пламени, химико-физического механизма образования сажи, механизма выгорания сажистых частиц и локального лучистого теплообмена в дизелях, выполненные автором в период с 1969 по 1981 г.г.

На защиту выносятся:1. Усовершенствованный метод экспериментального исследования результирующего иажевыделения и из лучат ельных характеристик дизельного пламени - лазерное оптическое индицирование цилиндра дизеля.

2. Результаты экспериментальных исследований динамики са-жевыделения и излучательных характеристик пламени /степени черноты и температуры/ в дизелях различного типа и назначения, при различных условиях испытаний на установившихся и неустановившихся режимах работы.

3. Физико-химический механизм образования и выгорания сажи? стых частиц в цилиндре дизеля.

4. Физико-математическая модель и схема расчета результирующего сажевыделения в цилиндре и дымностн отработавших газов.

5. Физический механизм радиационного теплообмена в процессе сгорания и результаты исследований локального лучистого теплообмена в цилиндре дизеля.

6. Математическая модель и методика расчета локального лучистого теплообмена в дизеле, основанные на применении обобщенного зонального метода.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Батурин, Сергей Ануфриевич

З.б. Выводы и рекомендации.

1. Интегральные С; N - (Ч) и дифференциальные ¿¡^ ) ^ =

- "^СЧ") характеристики результирующего сажевыделения в дизелях с непосредственным впрыском топлива, различного типа и назначения имеют одинаковый качественный характер, определяемый как внешним видом кривых, так и подобием качественных связей их характерных участков с показателями процесса сгорания. Типичный для рассматриваемых дизелей вид кривых сажевыделения в единичном рабочем цикле характеризуется непрерывным увеличением концентрации сажи от нуля до максимального значения и последующим её снижением до значений, соответствующих началу выпуска отработавших газов. Начало образования сажи совпадает с началом видимого сгорания топлива. Скорость нарастания концентрации во всех двигателях примерно одинакова, время достижения максимальной концентрации составляет 4-5 мс независимо от типа двигателя и его быстроходности. Концентрация сажи в цилиндре к началу выпуска однозначно определяет уровень двмности отработавших газов.

2. Специфические особенности рабочего процесса конкретного двигателя и различные конструктивные, регулировочные и эксплуатационные факторы оказывают влияние на процесс результирующего сажевыделения и дымность ОГ путем изменения абсолютных значений концентрации сажи на участке от С-жах до С . Конечный ремума скорости тепловыделения: С -^Сд^^^имеет линейно убывающий характер, а зависимость интенсивности выгорания сажи от второго максимума скорости тепловыделения линейно тол ш возрастающий характер. Количественная оценка влияния характера выделения тепла в цикле на результирующее сажевыделение показала, что существенное уменьшение концентрации сажи в течении всего цикла можно получить лишЁ при увеличении скорости ^ в 1,5 - 2 раза и одновременном снижении скорости^—) гпсхх

5. Нагрузочный и скоростной режимы работы оказывают одинаковое качественное влияние на динамику сажевыделения в цикле и дымность выпуска быстроходных дизелей с неразделёнными и полуразделёнными камерами сгорания. Увеличение нагрузки при пасои^ во всех случаях сопровождается повышением концентрации сажи в течении всего цикла и особенно на участке С^ып , и увеличением дымности отработавших газов. Аналогично изменяются концентрация сажи и дымность ОГ в результате увеличения нагрузки при одновременном снижении частоты вращения коленчатого вала по внешней скоростной характеристике. Характер зависимостей С^ах

К«) в пределах минимального разброса экспериментальных точек может быть представлен прямыми линиями. При значительных различиях в абсолютных значениях концентрации и дымности 3) для среднеоборотного и быстроходного дизелей характер линейной зависимости этих показателей от нагрузки при п = се>и^ практически одинаков /прямые с ~ одинаковыми угловыми коэффициентами/.

6. Наиболее существенное снижение текущего сажесодержания в цилиндре и дымность ОГ дизелей с непосредственным впрыском достигается при: увеличении угла опережения впрыска топлива, зна-ыительном повышении температуры воды в системе охлаждения, примет нении наддува. Анализ этих результатов позволяет рекомендовать в качестве наиболее простых, но достаточно эффективных средств снижения текущей концентрации сажи в цилиндре и дымности ОГ для дизелей рассматриваемого типа, следующее:

- более ранний впрыск топлива при ограничении количества топлива, сгорающего в квазиоднородной смеси, условиями предельно допустимых показателей динамики сгорания;

- повышенная турбулизация смеси во второй и особенно в третьей фазах процесса сажевыделения, не допуская проявления "эффекта перезавихривания" в первой фаз(е процесса;

- повышение температуры стенок цилиндра до приемлемого уровня по условиям надёжной работоспособности;

- увеличение суммарного коэффициента избытка воздуха.

7. Экспериментально доказана высокая эффективность применения в дизелях присадок воды к топливу в виде водотопливных эмульсий. Выявленное в ходе опытов оптимальное количество воды в ВТЭ составляет 16,5 - 17 % по массе. Применение в дизеле водотопливной эмульсии позволяет при сохранении или некотором улучшении экономичности двигателя значительно улучшить его экологические показатели дымности и токсичности ОГ, уменьшить радиационную тепловую нагрузку деталей цилиндро-поршневой группы, облегчает перевод среднеоборотного дизеля на низкосортные дешевые марки моторных топлив. При работе на ВТЭ-17 среднеоборотного дизеля текущее сажесодержание в цилиндре снижается в 2 - 2,5 раза, концентрация сажи к началу выпуска практически равна нулю, Применение ВТЭ-17 в быстроходном транспортном дизеле сопровождается значительным снижением са^есодержания в тернии всего цикла, дымность ОГ уменьшается на 25-30 %. Уменьшение интенсивности радиационной теплоотдачи на 8-10 % приводит к снижению температуры крышки и гильзы цилиндра на 5-10 Уменьшение содержания окислов азота в отработавших газах составило 10-15 %, Работа дизелей на ВТЭ-17 в обоих случаях сопровождается возрастанием на I,5 - 2 % показателей динамики сгорания и снижением эффективного удельного расхода топлива на 2-2,5 г/э.л.с.час.

8, Исследована динамика сажевыделения в последовательных рабочих циклах переходного процесса пуска автотракторного дизеля, что позволило установить основные причины повышенного саже-содержания в первых пусковых циклах и увеличенной дымности ОГ дизеля при его пуске. Для уменьшения сажесодержания в цилиндре и дымности ОГ при пуске дизеля рекомендуется применять предварительную прокрутку двигателя до а & t * Пхх с отключением топливоподачи и коррекцию цикловой подачи топлива в период пуска.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Батурин, Сергей Ануфриевич, 1982 год

1. Апельбаум С.О. Лучистый теплообмен в основных камерах сгорания ТРД. - Труды ЩАМ, 1953, Р 481, с.

2. Батурин С.А. Исследование тепловыделения, сажеобразования и излучения в цилиндре дизеля с использованием оптического квантового генератора: Дисс. . канд.техн.наук. Л., 1972, -243 е., ил. - Библиог.: 8 с.

3. Батурин, С.А., Яцечко A.M. Исследование процессов сгоранияи излучения в цилиндре дизеля с использованием лазера. Труды Алт. полжт. инст., Барнаул, 1972, вып.22, с.

4. Батурин С.А., Лебедев О.Н. и др. Исследование процессов са-жеобразования и тепловыделения в судовом дизеле при работе на эмультированном топливе. Труды Новосиб. инст. водного транспорта, Новосибирск, 1975, вып.100, с.

5. Батурин С.А,, Ложкин В.Н. Исследование динамики и термических условий сажевыделения при сгорании топлива в цилиндре дизеля. В кн.: Рабочие процессы в двиг.внутр.crop. М», МАДИ, 1978, с.

6. Батурин С.А., Ложкин В.Н. Исследование динамики сажевыделения и температуры пламени на неустановившихся режимах работы дизеля ЯМЗ-238НБ. В кн.: Исследование и совершенствование быстроходных дизелей. Барнаул, АЛИ, 1978, вып.1, с.

7. Батурин С.А. Дымность выпускных газов дизелей. В кн.: Теория ДВС. Л», Машиностроение, Х974, с. ¿/22

8. Болдырев И.В. Особенности сгорания частиц углерода в цилиндре быстроходного дизеля. Труды НИИ, 1966, Р 18, с.

9. Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях. М.: Машиностроение, 1969, - 248 е., ил.

10. Варшавский И.А., Магульский Ф.Ф. Токсичность дизельной сажи и измерение сажесодержания дизельного выхлопа. Сб. Тру-, дов ЛАНЭ, 1969, с.

11. Влияние добавки воды к топливу и воздуху на процесс сгорания в дизеле. В кн.: Поршневые и газотурбинные двигатели. 1971, Р 10, с.1 - 10.

12. Гейдон А.Г., Вольфгард Х.Г. Пламя, его структура, излучение и температура. М.: Металлургиздат, 1959, с. 333 ил.

13. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. -М.: Машиностроение, 1981, с.160, ил.

14. Дебедев О.Н. Некоторые особенности смесеобразования в дизелях при использовании водотопливных эмульсий. В кн.: Исследование рабочего процесса и смесеобразования быстроходных дизелей. Межвузовский сборник. Барнаул, 1976, вып.З,58, с.33 40.

15. Мальцев В.М., и др. Основные характеристики горения. М.: Химия, 1977, - 3£0 е., ил.

16. Мачульский Ф.Ф. Дисперсность и структура дизельной сажи. В кн.: Токсичность двигателей внутреннего сгорания и пути еёснижения, M., 1966, с.

17. Махов В.З. Методика и некоторые результаты исследования влияния присадок к топливу на процесс сажеобразования в дизеле: Дисс. . канд.техн.наук. М., 1970, - ZfO е., ил. - Библиогр.: > с.

18. Махов В.З. Метод расчётно-экспериментального определения текущего количества выгорающей в цилиндре дизеля сажи.- В кн.: Автомобильный транспорт, М., МАДИ, 1970, с.133-137

19. Свиридов Ю.В. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Л»: Машиностроение, 1972, - 244 е., ил.

20. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. Л.: Машиностроение, 1972, с.128, ил.

21. Теснер П.А. Образование сажи при разложении и горении уг-леродов. Газовая промышленность, I96Ï, W 5, 38 с.

22. Толстой А.И. Индикаторный период запаздывания воспламенением от сжатия. Труды НИЛД, М., Машгиз, 1955, Р I, с.

23. Mon XM.,Gzeems G. Method foz Cat*uéatin^-Une. Formation and ComSustio/j of Soo£ ел 2)ie.se£ Engines.- Necti Ttansfet FêcLmef f9?4;2>.C., Was/tcng--b>n} p. 3S9 -Ш. ъь, Икал y.M^Gzeems G.}Wo»p С. И. Factors

24. Srnoxe eine/ G-aseons Émissions foom Detec-i Jhyec 'tioh Engines one! Q Mtihod of CaievJaéio»- SffE Роргг /30169,19*3 f23p.

25. ШИЗИЧ0СКИЕ ОСНОШ ОБРАЗОВАНИЯ И ВЫГ.СРАНИЯ САЖИ В 1ЩШВДРЕ ДИЗЕЛЯ.

26. Большинство исследований процесса сажевыделения в дизелях носило формальный характер, ограничиваясь замерами дымности ОГ, и не позволяло раскрыть физическую сущность процесса /8, 10, 35, 39, 53, 64/ .

27. Состав, структура и свойства углеродного конденсированного продукта сгорания.

28. Бзрывное разложение ацетилена.1. Горение бензола.

29. Нормальное горение ацетилена. Горение ферроцена.1. Горение мазута.1. Дизельная сажа,дв.8ЧН 13/14. ^

30. Дизельная сажа,дв.ЧН 18/20.

31. Большую известность получили работы в этой области представителей советской научной школы П.А.Теснера, В.Г.Кнорре, С.М.Когарко, А.Д.Кокурина, В.М.Мальцева и др.

32. Рассмотренный фактический материал позволяет сделать вывод о том, что дисперсность сажи существенно зависит от условий и режима горения, увеличиваясь при росте начального давления,4551,0 1,5 РиМП*$оо <ioo itoo Geo tb90