Vibration indices as an express method for determining the effectiveness of additives that modify the operating parameters of internal combustion engines
Vibration indices as an express method for determining the effectiveness of additives that modify the operating parameters of internal combustion engines
Abstract
Relevance. The work is devoted to the development of an express method for determining the effectiveness of fuel additives that modify fuel combustion conditions. Such an approach makes it possible to expedite the selection of fuel additives for a specific type of fuel and to predict their performance under real-world conditions.
Objective: To develop a methodology for assessing the performance of fuel compositions with additives based on vibration indices.
Methods. This technique is based on measuring vibration accelerations at various engine speeds, both under load and at idle. It follows from the second law of thermodynamics, according to which, when the additive is working effectively, the net work pV will increase, but along with the work, losses also increase – these are vibrations, light and heating of the combustion chamber of the internal combustion engine (ICE). Therefore, if vibration is measured and found to be increasing, it can be concluded that net work will increase, and consequently so will the additive’s effectiveness.
Results and conclusions. It is not always possible to evaluate the effectiveness of an additive directly based on the technical and economic performance of an ICE; however, assessing it based on vibration indices can prove to be much quicker and simpler. This method does not provide absolute engine performance figures, but it is entirely suitable for comparative analysis. To verify these assumptions, an additive was tested which had previously demonstrated its effectiveness in terms of its impact on the technical and economic performance of internal combustion engines. Vibration acceleration was measured at various points on the engine, and it was found that in the presence of the additive, there is an increase in the overall level of vibration acceleration, as well as a harmonisation of the vibrations, characterised by the rhythmic repetition of the oscillations. The increase in vibration acceleration suggests that the additive is working and improves the engine’s net performance, while the rhythmic nature confirms that the additive makes the engine’s operation smoother.
1. Введение
Важнейшими эксплуатационными характеристиками дизельных двигателей внутреннего сгорания являются показатели надежности, топливной экономичности и экологической безопасности, зависящие от комплекса конструктивных и эксплуатационных факторов.
Наиболее распространенным способом обеспечения требуемых свойств дизельного топлива отраженных в работах авторов , , является введение многофункциональных присадок. Предметом данного исследования является топливные присадки, изменяющие условия горения топлива, а целью работы является определение эффективности данных присадок за счет изменений показателей вибрации при работе двигателя.
Вибрация сопровождает многие процессы в технике, поэтому широко изучается уже долгое время. В технических системах зачастую происходит перемещение одних деталей по другим и при этом, чтобы избежать заклинивания, детали взаимодействуют с небольшими зазорами, которые в процессе износа будут только увеличиваться, а значит будет расти и вибрация. На этом принципе построена вся вибродиагностика в технических системах. Особенное распространение она получила в двигателях внутреннего сгорания, где множество деталей имеет посадки с зазором , .
В данном исследовании авторами использован обратный метод. Если в случае видродиагностики, ее увеличение происходит за счет увеличения зазоров, то при положительном действии присадки, способствующей улучшению горения в двигателе, растут активные и инерционные силы в двигателе, что способствует и росту вибрации. При вибродиагностике меняются зазоры в сопряжениях, в нашем случае меняются силы, действующие на определенные детали двигателя.
Данное направление исследований описано в работе д.т.н., профессора Родионова Юрия Викторовича в работе предлагается оценивать эффективность водно-топливных эмульсий схожим методом. При этом важно правильно выбрать места на двигателе для измерения показателей вибрации. От этого будет напрямую зависеть адекватность и точность измерений.
Поэтому основные задачи как в этой работе, так и на будущее, это правильное выявление мест локализации вибрации на двигателе.
Тема актуальна, поскольку традиционные методы оценки по технико-экономическим показателям двигателя часто требуют длительных и ресурсоемких испытаний.
2. Методы и принципы исследования
Согласно источника все тепловые двигатели, в том числе и ДВС работают по второму закону термодинамики, который можно записать следующим образом:
Потенциал Гиббса (G) — это термодинамическая функция, которая показывает максимальную полезную работу, которую может совершить система при постоянных температуре и давлении. Для химических реакций (например, сгорания топлива).
где G —полная энергия;
U — внутренняя энергия;
T — температура;
S — энтропия;
р — давление;
V — объем.
Произведение рV представляет собой механическую работу двигателя. Однако производство чистой механической работы в ДВС связано с вибрациями, нагревом деталей и световой энергией . В данном уравнении это не отражено, однако при анализе преобразовании энергий необходимо это учитывать. Очевидно, что чем выше будет чистая энергия рV, тем выше будут обозначенные потери.
При введении в топливо присадок, улучшающих условия сгорания, будет увеличиваться чистая работа рV, а значит больше станут и потери, в частности вибрация. Если нет данных об истинной эффективности топливной присадки, то можно измерить вибрацию двигателя и в том случае если она увеличится сделать вывод о положительном влиянии присадки. Зачастую, измерение вибрации сделать более просто, чем определить эффективность присадки по ее влиянию на технико-экономические показатели двигателя. В этом и состоит экспресс-метод определения эффективности присадок, изменяющих условия сгорания.
3. Основные результаты
Для того чтобы в этом убедиться, была испытана топливная композиция на основе оксида пропилена , с точки зрения ее влияния на показатели вибрации дизеля. Испытания проводились на тракторном дизеле Д-37М при помощи виброанализатора «STD-3300, комплектации CORVET». Датчик прибора устанавливался сбоку и сзади двигателя в районе расположения площадки с номером двигателя. Двигатель располагался на моторном нагрузочном гидравлическом стенде штифтового типа марки VEB Diselmotorenwerk производства ГДР.
На первом этапе измерения проводились в режиме холостого хода, а на втором этапе под нагрузкой. Для испытания под нагрузкой рейка ТНВД перемещалась в крайнее максимальное положения и за счет стенда давалась такая нагрузка, которая обеспечивала поддержание сначала 1000 об/мин, а затем 1500 об/мин.
Результаты испытаний под нагрузкой представлены на рисунке 1 и 2. Ось абсцисс — это частоты в Герцах, на которых снимались показания, а ось ординат это виброускорение в м/с2.
Величины общего фона вибраций представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Величины общего фона вибрации на номере двигателя в зависимости от частоты вращения коленчатого вала
Холостой ход | Под нагрузкой | ||||
Без присадки | С присадкой | Δ, % | Без присадки | С присадкой | Δ, % |
вибрация/ виброускорение, м/с2 | вибрация/ виброускорение, м/с2 | ||||
Частота вращения коленчатого вала, 1000 об/мин | |||||
0,837 | 0,910 | 108,7 | 1,4 | 1,604 | 114,6 |
Частота вращения коленчатого вала, 1500 об/мин | |||||
1,602 | 1,987 | 124 | 1,376 | 2,302 | 167,3 |
Частота вращения коленчатого вала, 2000 об/мин | |||||
3,217 | 3,729 | 115,9 | - | - | - |
Как видно из таблицы 1, величина виброускорения во всех случаях с присадкой больше, чем без присадки, что говорит об эффективности присадки с точки зрения сгорания.
Для того чтобы убедится в том, что показатели вибрации действительно связаны с эффективными показателями двигателя было произведено измерение нагрузки для частоты 1000 об/мин по внешней скоростной характеристики двигателя. По результатам нагрузки и оборотов была определена мощность (Ne) при работе двигателя без присадки и с присадкой. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Изменение виброускорения в зависимости от максимальной мощности двигателя при 1000 об/мин
Эффективная мощность Ne в кВт при 1000 об/мин | Прирост мощности в % | Увеличение виброускорения, % | |
Без присадки | 23,54 | – | – |
С присадкой | 23,68 | 0,6 | 14,6* |
Примечание: расчет изменения виброускорения в процентах произведен по данным таблицы 1*
Как видно из таблицы 2, при увеличении мощности действительно происходит увеличение показателей вибрации, в частности виброускорения. Если произвести корреляцию, то легко установить, что для данного условия на каждый кВт прироста мощности виброускорение увеличивается на 1,46 м/с2.
Виброускорение двигателя при нагрузке на 1000 об/мин
Виброускорение двигателя при холостом ходу на 1500 об/мин
Виброускорение двигателя при нагрузке на 1500 об/мин
Виброускорение двигателя при холостом ходу на 2000 об/мин
Виброускорение двигателя при холостом ходу выход коленвала, вертикально снизу
Виброускорение двигателя под нагрузкой выход коленвала, вертикально снизу
Виброускорение двигателя при холостом ходу, вертикально на блоке
Виброускорение двигателя под нагрузкой, вертикально на блоке
Виброускорение двигателя при холостом ходу, горизонтально на блоке
Виброускорение двигателя под нагрузкой, горизонтально на блоке
Таблица 3 - Величины общего фона вибрации в разных точках двигателя при 1000 об/мин
Холостой ход | Под нагрузкой | ||||
Без присадки | С присадкой | Δ, % | Без присадки | С присадкой | Δ, % |
вибрация/ виброускорение, м/с2 | вибрация/ виброускорение, м/с2 | ||||
Выход коленвала, вертикально снизу | |||||
0,406 | 9,807 | 2413,7 | 0,622 | 2,494 | 401 |
Вертикально на блоке | |||||
0,0024 | 12,467 | 519458 | 0,223 | 7,349 | 3289,6 |
Горизонтально на блоке | |||||
0,0005 | 0,178 | 35600 | 0,004 | 1,786 | 45794,9 |
Отдельно следует отметить, то, что во всех случаях при втором замере, работа двигателя с присадкой под нагрузкой сопровождалась гармонизацией колебаний, через определенную частоту проявились повторяющиеся колебания. Такой результат может быть следствием того, что оксид пропилена делает работу двигателя более плавной, что неоднократно отмечалась на слух.
Такая работа двигателя объясняется следующем:
1. Присадка обеспечивает самовоспламение дизельного топлива четко в соответствии с углом поворота коленчатого вала.
2. С присадкой работа идет на более низкой частоте, время одного колебания уменьшается, поскольку воспламенение начинается раньше. Такое предположение возможно по той причине, что оксид пропилена имеет очень малую энергию зажигания .
4. Обсуждение
В последние годы растет интерес ученых по изучению вибраций, в том числе ДВС. В одном случае вибрация изучается как исходный показатель шума двигателя. Чем выше вибрация, тем больше шум, а он строго регламентируется, поэтому необходимо так проектировать двигатель, чтобы вписаться в этот норматив . В другом случае вибрация изучается как показатель общей надежности тепловой машины. Чем выше вибрация, тем чаще необходимо протягивать элементы крепежей ДВС. С этой целью в конструкции многоцилиндровых двигателей используются балансировочные валы. Рассматривается изучение вибрации как способ диагностики ДВС. Измеряя в определенных местах виброускорение можно судить о состоянии коренных и шатунных подшипников коленчатого вала и не только их , .
Данное исследование направлено на получение сравнительных характеристик, которые помогут на начальных испытаниях присадки выявить ее эффективность. Не менее актуальным направлением измерения виброускорения, будут и те случаи, когда невозможно оценить эффективность присадки технико-экономическими показателями ДВС напрямую.
5. Заключение
Полученные результаты свидетельствуют о чувствительности вибрационных характеристик работы двигателя к наличию в топливе активной присадки. Работа вносит вклад в развитие методов диагностики и оперативного тестирования моторных топлив.
Предложенный метод оценки качества нефтепродукта позволит увеличить число испытательных методик, что в конечном счете способствует разнообразию проводимых испытаний. К. В. Шаталов указывает, что уровень метрологического обеспечения лаборатории позволяет совершенствовать метрологическое обеспечение испытаний, что в конце концов повышает качество и конкурентоспособность продукции . В свою очередь, разнообразие испытательных методов и методик будет также оказывать влияние как на точность определения отдельных показателей, так и на качество топлива в целом.