К ВОПРОСУ РАСЧЕТА ЦИКЛОВОЙ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В РЕЖИМЕ ПУСКА МАЛОРАЗМЕРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СПАСАТЕЛЬНЫХ ШЛЮПОК

Дадилов А.С. 

Кандидат технических наук, Московский Автомобильно-Дорожный Государственный Технический Университет (МАДИ). Махачкалинский филиал

К ВОПРОСУ РАСЧЕТА ЦИКЛОВОЙ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В РЕЖИМЕ ПУСКА МАЛОРАЗМЕРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СПАСАТЕЛЬНЫХ ШЛЮПОК

Аннотация

Приведены результаты теоретических исследований по определению величины цикловой подачи топлива в режиме пуска малоразмерного дизельного двигателя для спасательных шлюпок. Расчет цикловой подачи топлива проводится с учетом испарения капель топлива в объеме и со стенки цилиндрической камеры сгорания, при запуске двигателя. Актуальность данного вопроса обусловлена использованием рассматриваемого двигателя на моторных спасательных шлюпках, к которым предъявляются особые требования, и от эффективности которых зависит успех по спасению жизни людей при авариях морских судов.

Ключевые слова: режим пуска, цикловая подача топлива, распылитель, топливный факел.

Dаdilov A.S. 

Candidate of Technical Sciences, Moscow State Automobile and Road Technical University (MADI). Makhachkala branch

THE ISSUE OF CALCULATING THE FUEL PORTION IN RUN MODE SMALL ENGINES LIFEBOATS

Abstract

The results of theoretical and experimental studies to determine the magnitude of the fuel cycle in the start mode of small-size diesel engines for lifeboats. Fuel cycle calculation is performed based on the evaporation of fuel droplets in the bulk and with the cylindrical wall of the combustion chamber when the engine is started. The relevance of the question due to the use of this type of engines on motor lifeboats, which are subject to specific requirements, and the effectiveness of which depends on the success to save lives in accidents ships.

Keywords: start mode, the fuel portion, sprayer, fuel torch.

Условия смесеобразования в камере сгорания дизеля спасательной шлюпки 4ЧСП8,5/11-5 при пуске значительно отличаются от условий смесеобразования при работе дизеля на номинальной мощности. При пуске холодного дизеля топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, имеет низкую температуру. Поэтому для нагрева капель топлива до температуры изотермического равновесного испарения требуется значительно больше времени, чем на рабочих режимах [1,2,3].

Впрыснутое в конце хода сжатия топливо взаимодействует с зарядом воздуха с давлением р_c, температурой Т_с и теплосодержанием Q_т, в результате которого осуществляется развитие топливных факелов, нагрев и испарение, взаимная диффузия и перемешивание паров топлива и воздуха. Характер этого взаимодействия зависит от условий, предшествующих этим процессом. Последние значительно отличаются по давлению, температуре и теплосодержанию заряда воздуха, радиальной и осевой скоростей заряда, температурам окружающей среды и стенок камеры сгорания, средней скорости поршня, скорости истечения топлива, тонкости и однородности распыла топлива и т.д. от условий смесеобразования при работе дизеля на рабочих режимах и вносят вполне закономерные изменения во все фазы протекания смесеобразования и сгорания. В результате индикатор­ный КПД рабочего цикла в режиме пуска оказывается меньше 0,1÷0,15 [3].

Для пусковых режимов приходится принимать меры способствующие увеличению доли испарившегося в камере сгорания топлива за период задержки воспламенения τ_i до значения, обеспечивающего коэффициент избытка воздуха по испарившейся в камере сгорания части топлива α_s = 1. Одним из наиболее эффективных мер является увеличение количества мел­кораспыленного топлива путем повышения цикловой подачи топлива на время пуска и прогрева дизеля. При этом отмечается рост в топливном факеле количества мелких капель, которые быстрее прогреваются и испаряются, способствуя образованию топливовоздушной смеси с α_s = 1.

Задача сводится к определению доли цикловой подачи топлива, испарившегося в объеме и со стенки камеры сгорания, количества заряда воздуха в камере сгорания и среднего значения коэффициента избытка воздуха α_s по доли цикловой подачи топлива, испарившейся за период задержки воспламенения (П.З.В.) τ_i.

Оптимальная величина пусковой цикловой подачи топлива, определяется по формуле [7]:

где ε_с - геометрическая степень сжатия; V_кс - объем камеры сгорания; η_v - коэффициент наполнения; ζ - коэффициент дозаряди в режиме пуска; ξ - коэффициент сохранения заряда; l₀ - количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания одного кг. топлива, кг; ρ_ц - плотность воздуха; g_ц - пусковая цикловая подача топлива, мг/цикл; Ω_s - относительное количество пусковой цикловой подачи топлива, испарившегося в режиме пуска за цикл.

Из этого выражения следует, что  определяется количеством заряда воздуха в камере сгорания и Ω_s.

Поэтому задача сводится к определению

где Ω_v и Ω_тс - доли цикловой подачи топлива, испарившегося в объеме камеры сгорания и из топливного слоя соответственно.

Для малоразмерных двигателей,  вследствие малого диаметра цилиндра (<100 мм), трудно разместить цилиндрическую камеру сгорания в центре поршня и форсунку вертикально по оси цилиндра. Поэтому ось камеры сгорания приходится сместить от оси поршня на 3-5 мм, а ось форсунки наклонить от вертикальной оси до 30÷40°. Размещение камеры сгорания в поршне и форсунки дизеля типа 4ЧСП8,5/11-5 представлено на рис. 1.

Рис. 1 - Модель ориентирования топливных факелов 3-х и 4-х дырчатых распылителей в цилиндрической камере сгорания в поршне дизеля 4ЧСП8,5/11-5.

Топливо в камеру сгорания дизеля впрыскивается за 28÷30° до прихода поршня в ВМТ с помощью распылителя РД 3×0,3×120° имеющего три сопловых отверстия диаметром d_с = 0,3 мм. Следовательно цикловая подача топлива, равная в режиме номинальной мощности g_ц = 25 мг/цикл., распыливается в объеме камеры в поршне тремя топливными факелами, размещенными по окружности камеры равномерно через 120°.

Вследствие смещения оси камеры в поршне от оси поршня на 3 мм и выступающего из головки цилиндра на 0,7÷1,0 мм соплового наконечника распылителя от оси цилиндра на 11 мм (рис. 1) и на 8 мм от оси камеры в поршне, топливные факелы №1, №2, №3 преодолевают не одинаковые расстояния от соплового наконечника распылителя до стенки камеры в поршне. Указанное расстояние существенно больше для топливного факела №1 и можно принять одинаковым для топливных факелов №2 и №3.

При этом ось распылителя смещается от оси камеры сгорания и вследствие этого отмечается несимметричное расположение топливных фа­келов. Такая специфика дизелей спасательных шлюпок обусловливает различные длины и скорости топливных факелов в камере сгорания и различные количества цикловой подачи топлива испаряются в объеме и наносится на стенки от каждого топливного факела. Указанная неидентичность развития топливных факелов приводит к различным условиям их взаимодействия с воздушным зарядом и стенкой камеры сгорания, что необходимо учесть при расчетах Ω_v и Ω_тс.

В связи этим, для цикловой подачи топлива можно записать:

Где i_ф - количество сопловых отверстий распылителя или топливных факелов;  - цикловая подача топлива в топливном факеле.

Количество топлива, испарившегося в объеме Ω_v ∙ g_ц можно определить, как сумму топлива,  испарившегося в объеме в каждом топливном факеле , т.е.

или 

В работах [4] на базе теоретических и эксперимен­тальных исследований проф. Д.Н.Вырубова и д.т.н. Б.Н.Семенова [5] были выполнены расчеты, Ω_v, Ω_s,  Ω_тс и получена следующая зависимость для приближенной оценки Ω_s в ре­жиме пуска [1, 3]

где Z_m - характеристика размера, определяющая мелкость распылива­ния; Z_р - характеристика распределения; Z - текущий диаметр капли; К - константа испарения; К₁ - констан­та подогрева; τ_i - период задержи воспламенения; τ_в - время от начала подачи топлива до начала рассмат­риваемого элементарного периода впрыска; τ_н - время от начала подачи топлива до достижения им стенки камеры сгорания; β_u - коэффициент массообмена; р_ц - парциальное давление топлива, равное на поверхности топливного слоя давлению насыщенных паров; F - поверхность испарения; g_ц - цикловая подача топлива.

Расчеты выполнялись с  использованием программ Mathcad-15 и Microsoft Excel. Аналогичный расчет с использованием методик Д. Н. Вырубова [4] и Б. Н. Семенова [5] для режима прогрева малоразмерного дизеля было выполнено в работе [3].

Результаты расчета испарения последовательных порций топлива, впрыскиваемых через каждые 0,5 мс в объеме и со стенки камеры в поршне приведены на рис. 2.

Рис.  2 - Испарение топлива в объеме и из топливной пленки на стенке в режиме пуска малоразмерного дизеля.

Как показывает анализ расчетных характеристик распыливания, параметров топливных факелов и динамики испарения топлива в объеме и со стенки при пуске малоразмерного дизеля только 25% цикловой подачи топлива испаряется в объеме, а 75% наносится на стенку камеры в виде топливного слоя.

Количество топлива, испарившегося, за период задержки воспламенения, из топливного слоя, не превышает 7%. В результате из распыленного в камере сгорания g_ц = 25 мг/цикл в режиме пуска испаряется только 8 мг/цикл, в том числе 6,25 мг в объеме и 1,75 мг со стенки камеры, что существенно обедняет рабочую смесь. Очень бедные смеси не способствуют улучшению процесса сгорания, так как вследствие повышения периода задержки воспламенения до 22÷24 м.с. воспламенение и сгорание смещается за ВМТ и осуществляется в условиях увеличивающегося объема, понижающихся значениях температуры и давления.

Таким образом, отмечаемое объемно-пленочное смесеобразование в цилиндрической камере сгорания в поршне дизеля Ч8,5/11 характеризуется: нанесением до 75% распыленного в камере сгорания топлива на ее стенку в виде топливного слоя с весьма развитой пленочной составляющей на начальном этапе; испарением 25% распыленного в камере сгорания топлива в ее объеме и только до 7% из топливного слоя на ее стенке, что свидетельствует о решающей роли объемной составляющей смесеобразования для запуска малоразмерного дизеля.

По результатам опытов была построена, зависимость продолжительности пуска от цикловой подачи топлива, т.е. τ_пус. = f(g_ц) (рис. 3).

По полученной экспериментальной кривой τ_пус. = f(g_ц^пус) с помощью формулы (3) для точки соответствующей наименьшей τ_пус. и, следовательно оптимальной , исходя из условия α_и = 1, определялись Ω_и, а затем по Ω_и и g_ц строилась кривая α_и = f() (рис. 4). Обработка экспериментальных и расчетных данных показали, что в режиме пуска дизеля Ч8,5/11  = 60÷80 мг/цикл и Ω_s = 0,28÷0,31, т.е. за П.З.В. в пусковом цикле испаряется только 28÷33% g_ц. Значения Ω_V = 0,22÷0,25; Ω_тс = 0,07. Увеличение цикловой подачи топлива с 25 мг, соответствующей режиму номинальной мощ­ности, до = 70 мг, т.е. в 2,5 раза сокращает продолжитель­ность пуска с 22 до 3 с, т.е. в 7 раз. При этом, минимальный удельный расход топлива отмечается в режиме номинальной мощности при угле опережения подачи топлива порядка 14÷18° ПКВ до ВМТ.

Увеличение цикловой подачи топлива с 25 мг/цикл до 60÷65 мг/цикл, т.е. в 2,4÷2,6 раза, по сравнению с номинальным значением позволяет уменьшить продолжительность пуска при температуре 273 К с 22 до 3,3 с. Дальнейшее увеличение цикловой подачи топлива с 60÷65 мг/цикл до 110 мг/цикл вызывает резкое возрастание времени пуска дизеля. Объясняется это тем, что при пуске дизеля, вследствие недостаточного объема для развития топливного факела 75% цикловой подачи топлива наносится на холодные стенки камеры в поршне в виде топливного слоя.

В результате в режиме холодного пуска малоразмерного дизеля испаряется только 32% цикловой подачи топлива и вследствие дефицита паров топлива коэффициент избытка воздуха α_u  оказывается на уровне 2,5.

 

Рис. 4 - Влияние цикловой подачи топлива на продолжительность пуска (τ_пус.), количество испарившегося топлива (Ω_u) и коэффициент избытка воздуха (α_u).

Для дизелей 4ЧСП8,5/11-5 с цилиндрической камерой сгорания в поршне и распылителем РД 3×0,3×120° оптимальным для пусковых режимов является цикловая подача топлива равная 60÷65 мг/цикл. Полученные данные близко совпадают с ранее выполненными исследованиями на дизелях спасательных шлюпок 4ЧСП8,5/11-5 с вихревой камерой сгорания, свечой накаливания и штифтовым распылителем РШ 6×25°, для которых в качестве оптимальной рекомендована и внедрена цикловая подача топлива равная 60÷80 мг/цикл. Сравнительный анализ их показывает, что нижний предел пусковой цикловой подачи топлива совпадает, а верхний предел отличается на 15 мг/цикл или на 23%, что объясняется влиянием качества распыливания топлива. В первом случае, топливо распыливается в камере в поршне тремя топливными факелами распылителя РД 3×0,3×120°, в которых мелких капель больше, чем во втором случае, где топливный факел создается штифтовым распылителем РШ 6×25°.

Необходимо отметить, что серийные топливные насосы допускают увеличение цикловой подачи топлива только до 35 мг/цикл, что объясняется отсутствием пускового обогатителя на насосе и малой производительностью  секций с заводской регулировкой.

Проведенные исследования позволяют констатировать, что специфической особенностью двигателей для спасательных шлюпок типа Ч8,5/11, является характер зависимости продолжительности пуска от величины цикловой подачи топлива, имеющий явно выраженный минимум, в отличие от дизелей большей размерности.

Литература

1. Дадилов А.С. Исследование пусковых качеств и рабочего процесса судового малоразмерного дизеля с камерой сгорания в поршне: дисс. канд. техн. наук. Астрахань, 2007 — с. 138.
2. Масуев М.А., Дадилов А.С. Повышение эксплуатационных качеств судовых малоразмерных дизелей.// Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Технические науки. 2006 — Прил. №9 — с. 66-69.
3. Фатахов М.М. Исследование и улучшение маневренных качеств дизелей средств коллективного спасения экипажей морских судов: дисс. канд. техн. наук. Астрахань, 2005 — с. 145.
4. Вырубов Д.Н. О методике расчета испарения топлива. Труды МВТУ им.Баумана. №25, ДВС,с. 20, Под редакцией А.С.Орлина., Машгиз,1954.
5. Семенов Б. Н. К расчету процессов нагрева и испарения капель топлива в дизеле. – Труды ЦНИДИ, вып. 54 – Л.: 1965.
6. Аливагабов М.М. Определение оптимальной в режиме пуска величины цикловой подачи топлива. «Тракторы и сельхозмашины», №4, 1975, с. 14-15.
7. Дадилов А. С., Фаталиев Н.Г., Габалов Г.М., Ханустранов М-С.Д. // Совершенствование конструкций камер сгорания судовых малоразмерных дизелей / Проблемы развития АПК региона – 2014 - №4(20) – С. 74-79.
8. Дадилов А.С., Адамов М.Т., Габалов Г.М. Оценка пусковых свойств малоразмерных двигателей спасательных шлюпок // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2–6. – С. 1171-1174; URL:rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id=10006267 (дата обращения: 31.03.2015).

 References

1. Dadilov A.S. Issledovanie puskovyh kachestv i rabochego processa sudovogo malorazmernogo dizelja s kameroj sgoranija v porshne: diss. kand. tehn. nauk. Astrahan', 2007 — s. 138.
2. Masuev M.A., Dadilov A.S. Povyshenie jekspluatacionnyh kachestv sudovyh malorazmernyh dizelej.// Izv. vuzov Sev.-Kavk. region. Tehnicheskie nauki. 2006 — Pril. №9 — s. 66-69.
3. Fatahov M.M. Issledovanie i uluchshenie manevrennyh kachestv dizelej sredstv kollektivnogo spasenija jekipazhej morskih sudov: diss. kand. tehn. nauk. Astrahan', 2005 — s. 145.
4. Vyrubov D.N. O metodike rascheta isparenija topliva. Trudy MVTU im.Baumana. №25, DVS,s. 20, Pod redakciej A.S.Orlina., Mashgiz,1954.
5. Semenov B. N. K raschetu processov nagreva i isparenija kapel' topliva v dizele. – Trudy CNIDI, vyp. 54 – L.: 1965.
6. Alivagabov M.M. Opredelenie optimal'noj v rezhime puska velichiny ciklovoj podachi topliva. «Traktory i sel'hozmashiny», №4, 1975, s. 14-15.
7. Dadilov A. S., Fataliev N.G., Gabalov G.M., Hanustranov M-S.D. // Sovershenstvovanie konstrukcij kamer sgoranija sudovyh malorazmernyh dizelej / Problemy razvitija APK regiona – 2014 - №4(20) – S. 74-79.
8. Dadilov A.S., Adamov M.T., Gabalov G.M. Ocenka puskovyh svojstv malorazmernyh dvigatelej spasatel'nyh shljupok // Fundamental'nye issledovanija. – 2015. – № 2–6. – S. 1171-1174; URL:rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id=10006267 (data obrashhenija: 31.03.2015).