RESULTS OF THE STUDY OF OPTICAL CHARACTERISTICS OF SOOT PARTICLES AND PARAMETERS OF RADIATION HEAT EXCHANGE IN THE COMBUSTION CHAMBER OF A MARINE DIESEL ENGINE

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЦ САЖИ И ПАРАМЕТРОВ РАДИАЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕНА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ

Обзорная статья

Руднев Б.И.¹, Повалихина О.В.^2, *

¹ ORCID: 0000-0002-7914-0035;

² ORCID: 0000-0001-7615-854X;

^{1, 2} Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, Владивосток, Россия

* Корреспондирующий автор (povalichina[at]mail.ru)

Аннотация

Тенденции развития современных судовых дизелей связаны, прежде всего, с увеличением их удельной мощности, улучшением параметров экономичности и экологических характеристик. Это обуславливает появление ряда проблем, важнейшей из которых является проблема тепловой напряжённости деталей, образующих камеру сгорания. Высокий уровень тепловых нагрузок указанных деталей судовых дизелей является одной из основных причин снижения их эксплуатационной надежности. Ошибки в расчетных оценках теплового и напряженно-деформированного состояния деталей камеры сгорания на стадии проектирования в настоящий период достигают 30 – 80 %. Это вызывает необходимость совершенствование математических моделей, описывающих процессы теплообмена в камере сгорания судовых дизелей. Целью данной статьи является представление и обсуждение результатов исследований, проведенных авторами, по оптическим характеристикам частиц сажи и радиационному теплообмену в камере сгорания судового дизеля типа 6 ЧН 24/36. Экспериментально доказано, что частицы сажи, образующиеся в камере сгорания судового дизеля, могут быть отнесены к малым с оптической точки зрения. Значения средних за рабочий цикл локальных результирующих потоков излучения для поверхностей крышки цилиндра, поршня и втулки, представленные в статье, позволяют еще на стадии проектирования определить в них величину переменных температурных напряжений. Это очень важно для оценки надежности работы деталей камеры сгорания в эксплуатации.

Ключевые слова: судовой дизель, частицы сажи, спектральный анализ, результирующий поток излучения.

RESULTS OF THE STUDY OF OPTICAL CHARACTERISTICS OF SOOT PARTICLES AND PARAMETERS OF RADIATION HEAT EXCHANGE IN THE COMBUSTION CHAMBER OF A MARINE DIESEL ENGINE

Review article

Rudnev B.I.¹, Povalikhina O.V.^2, *

^{1, 2} Far Eastern State Technical Fisheries University, Vladivostok, Russia

* Corresponding author (povalichina[at]mail.ru)

Abstract

Trends in the development of modern marine diesel engines are primarily associated with an increase in their specific power, improvement of efficiency parameters and environmental characteristics. This causes the appearance of a number of issues, the most important of which is the problem of thermal tension of the parts forming the combustion chamber. The high level of thermal loads of these parts of marine diesel engines is one of the main reasons for their reducing operational reliability. Errors in the calculated estimates of the thermal and stress-strain state of the combustion chamber parts at the design stage currently reach 30 - 80%. This makes it necessary to improve mathematical models describing the processes of heat exchange in the combustion chamber of marine diesel engines. The purpose of this article is to present and discuss the results of research on the optical characteristics of soot particles and radiation heat exchange in the combustion chamber of a marine diesel engine type 6 ChN 24/36 (6 ЧН 24/36). The study experimentally proves that soot particles formed in the combustion chamber of a marine diesel engine can be classified as small from an optical point of view. The average values of the local resultant radiation fluxes for the surfaces of the cylinder cover, piston, and piston boss for the duty cycle presented in the article make it possible to determine their value of variable temperature stresses at the design stage. This is very important for assessing the reliability of the combustion chamber parts in operation.

Keywords: marine diesel, soot particles, spectral analysis, resulting radiation flux.

Введение

Тенденции развития современных дизельных двигателей, в том числе и судовых связаны, прежде всего с увеличением их удельной мощности, улучшением параметров экономичности и экологических характеристик. Это обуславливает появление ряда проблем, важнейшей из которых является проблема тепловой напряженности деталей, образующих камеру сгорания (КС). Высокий уровень тепловых нагрузок деталей цилиндропоршневой группы современных судовых дизелей является одной из основных причин снижения их эксплуатационной надежности. Состояние математических моделей (ММ), описывающих процессы переноса теплоты в КС дизельных двигателей в настоящее время таково, что ошибки в расчетных оценках теплового и напряженно-деформированного состояния деталей цилиндропоршневой группы на стадии проектирования достигают 30 – 80%. Последнее вызывает необходимость совершенствования как уже существующих ММ, так и разработку новых, которые могли бы более адекватно описывать упомянутые выше процессы. Целью данной статьи является представление и обсуждение результатов расчетных и экспериментальных исследований, проведенных авторами. Тематика этих исследований охватывает весьма обширный круг вопросов, связанных с определением оптических характеристик частиц сажи и радиационного теплообмена в КС судового дизеля [1], [2], [3].

Оптические характеристики частиц сажи и результаты их спектрального анализа

Испытания судового дизеля 6 ЧН 24/36 проводились по стандартной нагрузочной характеристике [4] с регистрацией параметров рабочего процесса и отбором проб частиц сажи на пяти основных режимах: холостой ход, нагрузка 0% от номинальной мощности Ne_ном, а также 25, 50, 75 и 100% при частоте вращения коленчатого вала n=500 мин^-1. В результате обработки отобранных в процессе испытаний проб частиц сажи на сканирующем микроскопе с высокой разрешающей способностью S-5500 Hitachi (Japan) был получен массив электронно-микроскопических снимков, позволяющий выполнить количественный анализ оптических характеристик, как самих частиц сажи, так и их наноструктур.

На рис. 1 и 2 представлены электронно-микроскопические снимки частиц сажи и их наноструктур, относящихся к режиму холостого хода (0% нагрузки от Ne_ном) судового дизеля 6 ЧН 24/36 при увеличении соответственно в 100 и 500 тысяч раз.

Рис. 1 – Электронно-микроскопический снимок частиц сажи судового дизеля 6ЧН 24/36 при нагрузке 0% от Ne_ном

Примечание: увеличение 100 тыс. раз

Рис. 2 – Электронно-микроскопический снимок частиц сажи судового дизеля 6ЧН 24/36 при нагрузке 0% от Ne_ном

Примечание: увеличение 500 тыс. раз

 

Размерная шкала электронного микроскопа, показанная на приведенных снимках, позволяет оценить как размеры наноструктур, в которые объединяются отдельные частицы сажи, так и размеры самих отдельных частиц. Частицы сажи и их наноструктуры, соответствующие нагрузке судового дизеля 6 ЧН 24/36 25% от Ne_ном при увеличении в 200 тысяч раз показаны на рис. 3, а на рис. 4 и 5 представлены аналогичные экспериментальные данные при нагрузке указанного выше дизеля 50% и 100% от Ne_ном.

Рис. 3 – Электронно-микроскопический снимок частиц сажи судового дизеля 6ЧН 24/36 при нагрузке 25% от Ne_ном

 Примечание: увеличение 200 тыс. раз

 

Рис. 4 – Электронно-микроскопический снимок частиц сажи судового дизеля 6ЧН 24/36 при нагрузке 50% от Ne_ном

Примечание: увеличение 200 тыс. раз

Рис. 5 – Электронно-микроскопический снимок частиц сажи судового дизеля 6ЧН 24/36 при нагрузке 100% от Ne_ном

 Примечание: увеличение 500 тыс. раз

Анализ представленных на рис. 1 – 5 экспериментальных данных показывает, что по форме большинство частиц сажи близки к сфере, средний диаметр частиц сажи, образующихся в КС судового дизеля 6 ЧН 24/36 составляет 35 нм (0,035мкм) и практически не зависят от нагрузки дизеля. Это положение подтверждается и другими исследователями [5], [6], [8], [9]. При этом параметр дифракции для частиц сажи

где d – средний диаметр частиц сажи, мкм; λ – длина волны излучения, мкм.

в области ближнего инфракрасного спектра (λ=0,5 – 6,0 мкм) лежит в пределах ρ = 0,2 – 0,018. Среднее его значение для указанного спектрального диапазона составляет ρ_ср = 0,07, т.е. условие ρ ≤ 0,1 выполняется. Это позволяет считать экспериментально доказанным факт отнесения частиц дизельной сажи к малым с оптической точки зрения [10]. Последнее является принципиально важным фактом, так как известно, что аналитические выражения для спектрального коэффициента ослабления излучения для малых и больших частиц не совпадают [11], [12].

Сканирующий электронный микроскоп S-5500 позволяет проводить спектральный анализ исследуемых проб частиц сажи. На рис. 6 и 7 в качестве примера представлены результаты такого анализа для проб частиц сажи, полученные при работе судового дизеля 6 ЧН 24/36 на нагрузке 100 % от Ne_ном.

Анализ представленных на рис. 6 и 7 данных показывают, что в пробах однозначно присутствует именно углерод С (сажа). При изменении нагрузки в диапазоне от 0 % до 100 % от номинальной мощности от Ne_ном, содержание (весовое) углерода С (сажи) в пробах увеличивается от 69,48% до 97,55 %. Содержание кислорода О в пробах, как и следовало ожидать с ростом нагрузки уменьшается с 28,11 % при 0 % от от Ne_ном до 2,45 % при 100 % от от Ne_ном, что связано с интенсификацией процесса сгорания топлива в цилиндре судового дизеля. Содержание других химических элементов в пробах, в частности, железа Fe (как продукта износа деталей цилиндропоршневой группы), кремния Si и серы S незначительно и лежит в пределах от 1,03 % до 7 %. Распределение частиц сажи по размерам, как было показано ранее [13], существенно отличается от нормального.

Рис. 6 – Спектральный анализ частиц сажи судового дизеля 6ЧН 24/36 при нагрузке 100% от Ne_ном

Рис. 7 – Гистограмма распределения химических элементов в пробах, отобранных из камеры сгорания судового дизеля 6ЧН 24/36 при нагрузке 100% от Ne_ном

 

Локальные результирующие потоки излучения в камере сгорания судового дизеля

Точность расчетной оценки теплового и напряженно-деформированного состояния деталей цилиндропоршневой группы практически полностью зависит от правильного задания граничных условий по теплообмену [14, 15]. При этом в составе граничных условий необходимо достаточно корректно учитывать и составляющую, обусловленную теплообменом излучением в КС судового дизеля. Последнее обусловлено тем, что в период активного тепловыделения в цилиндре судового дизеля, доля теплообмена излучением в суммарном тепловом потоке, передаваемом от рабочего тела к поверхностям деталей КС составляет 45 – 55 % и более. Учитывая сложную геометрию КС современных судовых дизелей, а зачастую и наличие двух источников излучения (имеются ввиду судовых малооборотных дизелей с двумя форсунками в КС), значимость расчетной оценки локальных результирующих потоков излучения существенно возрастает. Отмеченное подтверждается и другими исследованиями в области радиационного теплообмена [16].

На рис. 8 представлены результаты расчетной оценки результирующих потоков излучения на поверхностях поршня, крышки и втулки цилиндра судового дизеля 6 ЧН 24/36 при работе на режиме 100 % от номинальной мощности Ne_ном. По своей физической сущности это средние за рабочий цикл результирующие потоки излучения для указанных выше поверхностей КС. Они могут быть использованы в качестве граничных условий при оценке теплового и напряженно-деформированного состояния деталей цилиндропоршневой группы на стадии проектирования с целью определения переменных температурных напряжений, возникающих в этих деталях в течение рабочего цикла. Локальные результирующие потоки излучения в пределах поверхности одной детали, например, поршня и крышки цилиндра для указанного выше судового дизеля были представлены ранее в [2]. Эти потоки излучения необходимы на стадии проектирования для выяснения вопросов, связанных с наиболее нагруженными в тепловом отношении участками поверхности одной конкретной детали цилиндропоршневой группы. В количественном отношении представленные на рис. 8 значения локальных результирующих потоков излучения соответствуют известным экспериментальным данным [17].

Рис. 8 – Результирующие потоки излучения для поверхностей деталей, образующих камеру сгорания судового дизеля 6 ЧН 24/36, при нагрузке 100 % от Ne_ном:

1 – поршень; 2 – крышка; 3 – втулки

  Заключение

Представленные в статье результаты исследований оптических параметров частиц сажи, отобранных из КС судового дизеля 6 ЧН 24/36, экспериментально подтвердили факт возможности их отнесения к малым с оптической точки зрения. Это дало возможность в ММ локального радиационного теплообмена в КС судового дизеля пренебречь рассеиванием и считать, что ослабление излучения происходит лишь за счет поглощения. Приведенные значения средних за рабочий цикл локальных результирующих потоков излучения для поверхностей деталей, образующих КС, позволяет еще на стадии проектирования определить в них величину переменных температурных напряжений. Последнее очень важно для общей оценки теплового и напряженно-деформированного состояния деталей цилиндропоршневой группы судового дизеля и надежности их работы в процессе эксплуатации.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Израильский Ю.Г. Математическая модель локального радиационного теплообмена в камере сгорания судового дизеля / Ю.Г. Израильский, О.В. Повалихина, Б.И. Руднев // Морские интеллектуальные технологии, 2016, №3 (33), Т.1, С. 146 – 151.
2. Руднев Б.И. Локальные оптико-геометрические характеристики и результирующие потоки излучения в камере сгорания судового дизеля / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Морские интеллектуальные технологии, 2018, №4(42), Т.5, С. 90 – 94.
3. Руднев Б.И. Расчетно-экспериментальное определение параметров излучения пламени в камере сгорания судового дизеля / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Морские интеллектуальные технологии, 2020, №4(50), Т.1, С. 98 – 102.
4. ГОСТ Р ИСО 3046-1-99. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Характеристики. Часть1. Стандартные исходные условия, объявленные мощность, расходы топлива и смазочного масла. Методы испытаний. – Введ. 2001-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1999, 23 с.
5. Вихерт М.М. Влияние типа рабочего процесса и режима работы быстроходного дизеля на свойства сажи и отработавшие газы / М.М. Вихерт, А.П. Кратко, И.С. Рафалькес и др. // Автомобильная промышленность, 1975, №10, С. 8 – 14.
6. Милликен Р.К. Размеры, оптические свойства и температура частиц сажи / Р.К. Милликен // Измерение температур в объемах новой техники. М.: Мир, 1965, С. 152 – 172.
7. Бакиров Ф.Г. Образование и выгорание сажи при сжигании углеводородных топлив / Ф.Г. Бакиров, В.М. Захаров, И.З. Полещук и др. М.: Машиностроение, 1989, 128 с.
8. Carpenter K. Analysis of the physical characteristics of diesel particulate matter using transmission electron microscope techniques / К. Carpenter, J.H. Johnson // SAE Preprints, 1979, № 790815, 17 p.
9. Mohammad Sarny I. Measurement of soot and flame temperature along three directions in the cylinder of a D.I. diesel / Sarny I. Mohammad, G.L. Borman // SAE Techn. Pap, Ser., 1991, №910728, P. 1 – 15.
10. Блох А.Г. Теплообмен излучением. Справочник / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков. М.: Энергоатомиздат, 1991, 432 с.
11. Зигель Р. Теплообмен излучением / Р. Зигель, Дж. Хауэлл. М.: Мир, 1975, 934 с.
12. Modest M.F. Radiative heat transfer / M.F. Modest. New York. Academic Press, 2003, 822 p.
13. Руднев Б.И. Оценки спектральной оптической толщины пламени в камере сгорания судового дизеля / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Морские интеллектуальные технологии, 2020, №1(47), Т.2, С. 91 – 94.
14. Шабров Н.Н. Метод конечных элементов в расчетах тепловых двигателей / Н.Н. Шабров. Л.: Машиностроение, 1983, 212 с.
15. Гаврюшин С.С. Численный анализ элементов конструкции машин и приборов / С.С. Гаврюшин, О.О. Барышникова, О.Ф Борискин. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, 480 с.
16. Елисеев В.Н. Теплообмен и тепловые испытания материалов и конструкций аэрокосмической техники при радиационном нагреве / В.Н. Елисеев, В.А. Товстоног. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, 396 с.
17. Dent J.C. Convective and radiative heat transfer in a high swirl direct injection Diesel engine / J.C. Dent, S.I. Siluaman // SAE Preprints, 1977, № 770407, 26p.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Izrail'skij Ju.G. Matematicheskaja model' lokal'nogo radiacionnogo teploobmena v kamere sgoranija sudovogo dizelja [Mathematical model of local radiant heat transfer in marine diesel engine combustion chamber] / Ju.G. Izrail'skij, O.V. Povalihina, B.I. Rudnev // Morskie intellektual'nye tehnologii, 2016, №3 (33), Vol.1, P. 146 – 151. [in Russian]
2. Rudnev B.I. Lokal'nye optiko-geometricheskie harakteristiki i rezul'tirujushhie potoki izluchenija v kamere sgoranija sudovogo dizelja [Optical-geometrical data of radiation heat transfer in diesel combustion chamber] / B.I. Rudnev, O.V. Povalihina // Morskie intellektual'nye tehnologii, 2018, №4 (42), Vol.5, P. 90 – 94. [in Russian]
3. Rudnev B.I. Raschetno-jeksperimental'noe opredelenie parametrov izluchenija plameni v kamere sgoranija sudovogo dizelja [Calculation-experimental definition of radiation parameters of flame in marine diesel combustion chamber] / B.I. Rudnev, O.V. Povalihina // Morskie intellektual'nye tehnologii, 2020, №4(50), Vol.1, P. 98 – 102. [in Russian]
4. GOST R ISO 3046-1-99. Dvigateli vnutrennego sgoranija porshnevye. Harakteristiki. Chast'1. Standartnye ishodnye uslovija, ob’javlennye moshhnost', rashody topliva i smazochnogo masla. Metody ispytanij [Internal combustion engines piston. Characteristics. Part 1. Standart initial conditions proclaim power, consumptions of fuel and lubricant oil. Methods of experiences] – introdused. 2001-01-01. M.: Publishing house of standarts, 1999, 23 p. [in Russian]
5. Vihert M.M. Vlijanie tipa rabochego processa i rezhima raboty bystrohodnogo dizelja na svojstva sazhi i otrabotavshie gazy [Influence type work process and regime of operation high speed diesel on propertyes of soot and exhaust gases] / M.M. Vihert, A.P. Kratko, I.S. Rafal'kes et al. // Avtomobil'naja promyshlennost', 1975, №10, P. 8 – 14. [in Russian]
6. Milliken R.K. Razmery, opticheskie svojstva i temperatura chastic sazhi / R.K. Milliken [Sizes, optical propertyes and temperature particles of soot] // Izmerenie temperatur v ob’emah novoj tehniki. M.: Mir, 1965, P. 152 – 172. [in Russian]
7. Bakirov F.G. Obrazovanie i vygoranie sazhi pri szhiganii uglevodorodnyh topliv [Formation and combustion of soot by combustion of hydrocarbons fuels] / F.G. Bakirov, V.M. Zaharov, I.Z. Poleshhuk et al. M.: Mashinostroenie, 1989, 128 p. [in Russian]
8. Carpenter K. Analysis of the physical characteristics of diesel particulate matter using transmission electron microscope techniques / K. Carpenter, J.H. Johnson // SAE Preprints, 1979, № 790815, 17 p. [in Russian]
9. Mohammad Sarny I. Measurement of soot and flame temperature along three directions in the cylinder of a D.I. diesel / Sarny I. Mohammad, G.L. Borman // SAE Techn. Pap, Ser., 1991, №910728, P. 1 – 15. [in Russian]
10. Bloh A.G. Teploobmen izlucheniem. Spravochnik [Radiative heat transfer. Handbook] / A.G. Bloh, Ju.A. Zhuravlev, L.N. Ryzhkov. M.: Jenergoatomizdat, 1991, 432 p. [in Russian]
11. Zigel' R. Teploobmen izlucheniem [Radiative heat transfer] / R. Zigel', Dzh. Haujell. M.: Mir, 1975, 934 p. [in Russian]
12. Modest M.F. Radiative heat transfer / M.F. Modest. New York. Academic Press, 2003, 822 p. [in Russian]
13. Rudnev B.I. Ocenki spektral'noj opticheskoj tolshhiny plameni v kamere sgoranija sudovogo dizelja [Estimation spectral optical thickness of flame in marine diesel combustion chamber] / B.I. Rudnev, O.V. Povalihina // Morskie intellektual'nye tehnologii, 2020, №1(47), Vol.2, P. 91 – 94. [in Russian]
14. Shabrov N.N. Metod konechnyh jelementov v raschetah teplovyh dvigatelej [Method final elements in calculation of thermal engines] / N.N. Shabrov. L.: Mashinostroenie, 1983, 212 p. [in Russian]
15. Gavrjushin S.S. Chislennyj analiz jelementov konstrukcii mashin i priborov [Numerical analysis elements of constructions machines and apparatuses] / S.S. Gavrjushin, O.O. Baryshnikova, O.F Boriskin. M.: Publishing house MGTU im. N.Je. Baumana, 2014, 480 p. [in Russian]
16. Eliseev V.N. Teploobmen i teplovye ispytanija materialov i konstrukcij ajerokosmicheskoj tehniki pri radiacionnom nagreve [Heat transfer and thermal investigations of materials and constructions of aero cosmic technics by radiation heating] / V.N. Eliseev, V.A. Tovstonog. M.: Publishing house MGTU im. N.Je. Baumana, 2014, 396 p. [in Russian]
17. Dent J.C. Convective and radiative heat transfer in a high swirl direct injection Diesel engine / J.C. Dent, S.I. Siluaman // SAE Preprints, 1977, № 770407, 26 p. [in Russian]