С помощью специальной программы для определения концентрации сажи в цилиндре дизеля нами были проведены расчеты массовой концентрации сажи С в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Также были проведены расчеты по определению количества частиц сажи N в единице объема в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла поворота коленчатого вала [192].
На рисунке 1, а представлено изменение показателей процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла п. к.в. на номинальном режиме (n = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа) при значении установочного УОВТ Θвпр = 20º до ВМТ.
В цилиндре дизеля начало видимого сгорания сопровождается началом сажевыделения. Результирующее сажесодержание определяется интенсивностью противоположно направленных процессов — образования и выгорания сажевых частиц. Преобладание какого-либо процесса ведет к изменению концентрации сажи в ту или иную сторону.
Анализ кривых показывает, что при работе на ДТ расчетная массовая концентрация сажи Сдт расч и количество частиц сажи Nдт расч в единице объема в цилиндре достигают своего максимального значения через φСmaxдт расч = 6,0º п. к.в. после ВМТ. Максимальная расчетная массовая концентрация сажи Сmaxдт расч имеет значение 2,673 г/м3, расчетное максимальное количество сажевых частиц Nmaxдт расч составляет 41,970∙106 мм-3. Затем процесс выгорания сажевых частиц начинает преобладать над процессом образования, происходит интенсивное окисление сажевых частиц. Этот процесс длится до открытия выпускного клапана. В результате концентрация сажи снижается до Свых дт расч = 0,203 г/м3, количество частиц до Nвых дт расч = 3,181∙106 мм-3 (φСвых = 124,0º п. к.в. после ВМТ). За период выгорания концентрация и количество частиц снижаются на 92,4 % относительно максимального значения.
Осредненная температура цикла достигает своего максимального значения Tmax при φTmax = 9,5º п. к.в. после ВМТ и составляет 2076 К. Давление сгорания достигает своего максимального значения рzmax при φрzmax = 7,0º п. к.в. после ВМТ и составляет 7,90 МПа.
а)
б)
Рис. 1. Изменение показателей процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла п. к.в. при Θвпр = 20º до ВМТ: а) n = 2200 мин -1, ре = 0,64 МПа; б) n = 1700 мин -1, ре = 0,69 МПа; ¾ — ДТ; ― ― — ЭТЭ
При работе дизеля на ЭТЭ расчетная массовая концентрация сажи
Сэтэ расч и количество частиц сажи Nэтэ расч в единице объема достигают своего максимального значения через φСmaxэтэ расч = 12,0º п. к.в. после ВМТ. Максимальная расчетная массовая концентрация сажи Сmaxэтэ расч = 0,551 г/м3, расчетное максимальное количество сажевых частиц Nmaxэтэ расч = 8,651∙106 мм-3. Далее процесс выгорания сажевых частиц доминирует над процессом образования. Концентрация сажи снижается до Свых этэ расч = 0,047 г/м3, количество частиц до Nвых этэ расч = 0,745∙106 мм-3 (φСвых = 124,0º п. к.в. после ВМТ). Концентрация и количество частиц снижаются на 91,5 %. Осредненная температура цикла достигает своего максимального значения Tmax = 2426 К при φTmax = 15,0º п. к.в. после ВМТ. Давление сгорания достигает своего максимального значения рzmax = 8,30 МПа при φрzmax = 13,0º п. к.в. после ВМТ.
Начало процесса сажевыделения в цилиндре дизеля совпадает с началом видимого сгорания, т. е. сажа образуется сразу же, как только появляется устойчивый фронт пламени. Испарение капли ЭТЭ в первый период времени протекает медленнее по сравнению с испарением чистого ДТ. Это происходит из-за увеличенной, по сравнению с ДТ, теплоты парообразования этанола. Испарение частиц спирта и их подготовка к окислению вызывает понижение температуры заряда. Поэтому добавление этанола приводит к увеличению периода задержки воспламенения. Но после наступления эффекта «микровзрыва» испарение протекает значительно быстрее и процесс горения ЭТЭ ускоряется. Это приводит к увеличению максимального давления процесса сгорания.
Из графиков видно, что при работе дизеля на ЭТЭ максимальные и выходные значения показателей сажесодержания в цилиндре значительно ниже, чем при работе на ДТ. Максимальные значения расчетной массовой концентрации сажи Сmaxрасч и расчетного количества частиц сажи Nmaxрасч в единице объема цилиндра дизеля при переходе с ДТ на ЭТЭ снижаются соответственно на 2,122 г/м3 и 33,319∙106 мм-3, или в 4,9 раза. Значения расчетной массовой концентрации сажи Свых расч и расчетного количества частиц сажи Nвых расч, соответствующие моменту открытия выпускного клапана, снижаются на 0,156 г/м3 и 2,436∙106 мм-3, или в 4,3 раза.
На рисунке 1, б представлено изменение показателей процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла п. к.в. на режиме максимального крутящего момента (n = 1700 мин -1, ре = 0,69 МПа) при значении установочного УОВТ Θвпр = 20º до ВМТ.
Основные зависимости изменения показателей сохраняются. При работе на ДТ расчетная массовая концентрация сажи Сдт расч и количество частиц сажи Nдт расч в единице объема достигают своего максимального значения через φСmaxдт расч = 2,0º п. к.в. после ВМТ. Максимальная расчетная массовая концентрация сажи Сmaxдт расч имеет значение 2,020 г/м3, расчетное максимальное количество сажевых частиц Nmaxдт расч составляет 31,714∙106 мм-3. Затем процесс выгорания сажевых частиц начинает преобладать над процессом образования. В результате к моменту открытия выпускного клапана концентрация сажи снижается до Свых дт расч = 0,153 г/м3, количество частиц до Nвых дт расч = 2,405∙106 мм-3. Показатели снижаются на 92,4 %.
При работе на ЭТЭ расчетная массовая концентрация сажи Сэтэ расч и количество частиц сажи Nэтэ расч в единице объема достигают своего максимального значения через φСmaxэтэ расч = 8,0º п. к.в. после ВМТ. Максимальная расчетная массовая концентрация сажи Сmaxэтэ расч составляет 0,426 г/м3, расчетное максимальное количество сажевых частиц Nmaxэтэ расч составляет 6,680∙106 мм-3. Далее при увеличении угла поворота коленчатого вала происходит интенсивное окисление сажевых частиц. Концентрация сажи снижается до Свых этэ расч = 0,035 г/м3, количество частиц сажи снижается до Nвых этэ расч = 0,547∙106 мм-3 (φСвых = 124,0º п. к.в. после ВМТ). Концентрация и количество частиц в цилиндре снижаются на 91,8 %.
Давление сгорания при работе на ДТ достигает своего максимального значения рzmax при φрzmax = 3,5º п. к.в. после ВМТ и составляет 8,50 МПа. При работе на ЭТЭ давление сгорания в цилиндре достигает своего максимального значения рzmax = 9,0 МПа при φрzmax = 8,5º п. к.в. после ВМТ.
Осредненная температура цикла при работе на ДТ достигает своего максимального значения Tmax при φTmax = 5,0º п. к.в. после ВМТ и равна 2103 К. При работе на ЭТЭ Tmax = 2480 К при φTmax = 10,0º п. к.в. после ВМТ.
При переходе с дизельного на альтернативное топливо происходит снижение показателей сажесодержания. Максимальные значения расчетной массовой концентрации сажи Сmaxрасч и расчетного количества частиц сажи Nmaxрасч в единице объема цилиндра дизеля снижаются соответственно на 1,594 г/м3 и 25,034∙106 мм-3, или в 4,7 раза. Значения расчетной массовой концентрации сажи Свых расч и расчетного количества частиц сажи Nвых расч, наблюдаемые в момент открытия выпускного клапана, снижаются соответственно на 0,118 г/м3 и 1,858∙106 мм-3, или в 4,4 раза.
Снижение результирующего сажесодержания в ОГ дизеля при работе на ДТ и ЭТЭ на режиме максимального крутящего момента можно объяснить увеличением времени, отводимым на выгорание сажевых частиц при снижении частоты вращения коленчатого вала, поскольку временной фактор является определяющим для результирующего сажевыделения в дизелях. Уменьшение сажесодержания при переходе с ДТ на ЭТЭ определяется особенностями сгорания ЭТЭ в цилиндре дизеля.
Литература
1. Лиханов, В.А., Россохин, А. В. Исследование процессов сажеобразования и сажесодержания в цилиндре быстроходного дизеля с турбонаддувом Д-245.12С при работе на компримированном природном газе // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 223–226.
2. Лиханов В. А., Россохин А. В. Оценка влияния режимов работы дизеля Д-245.12С на дымность отработавших газов при работе на нефтяном и альтернативных топливах // Молодой ученый. 2015. № 12 (92). с. 226–229.
3. Софронов М. В., Россохин А. В. Влияние применения этаноло-топливной эмульсии на экологические показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от нагрузки // Сборник: молодежная наука 2014: технологии, инновации материалы всероссийской научно-практической конференции, молодых ученых, аспирантов и студентов. Пермь, 2014. с. 104–107.
4. Софронов М. В., Тимшин Д. И., Россохин А. В. Влияние применения ЭТЭ на эффективные показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала // Сборник: молодежная наука 2014: технологии, инновации материалы всероссийской научно-практической конференции, молодых ученых, аспирантов и студентов. Пермь, 2014. с. 107–109.
5. Россохин А. В. Показатели процесса сгорания и сажесодержания в цилиндре дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на ДТ и ЭТЭ в зависимости от угла поворота коленчатого вала // Сборник: молодежная наука 2014: технологии, инновации материалы всероссийской научно-практической конференции, молодых ученых, аспирантов и студентов. Пермь, 2014. с. 98–101.
6. Лиханов В. А., Россохин А. В. Особенности теплообмена излучением в цилиндре дизелей при работе на газомоторном топливе // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 10–1. с. 14–17.
7. Кузьмин В. А., Заграй И. А., Россохин А. В., Рукавишникова Р. В. Определение размеров частиц сажи на различных участках системы выпуска дизеля // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2013. № 11–12. с. 3–10.
8. Лиханов В. А., Россохин А. В., Чупраков А. И. Снижение выбросов сажи с отработавшими газами дизелей путем применения альтернативных топлив // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 9. с. 13–16.
9. Лиханов В. А., Россохин А. В., Чупраков А. И. Особенности работы автотранспортного дизеля на этаноло-топливной эмульсии // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 9. с. 16–19.
10. Лиханов В. А., Россохин А. В., Полевщиков А. С. Влияние этанола на показатели дизеля Д21А1 // Автомобильная промышленность. 2011. № 12. с. 26–27.
11. Россохин А. В. Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения дымности отработавших газов // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. Санкт-Петербург, 2006.
12. Россохин А. В. Улучшение экологических показателей дизеля 4ЧН 11,0/12,5 при работе на природном газе путем снижения дымности отработавших газов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Киров, 2006.
13. Лиханов В. А., Лопарев А. А., Рудаков Л. В., Россохин А. В. Улучшение эффективных показателей дизеля с турбонаддувом путем применения природного газа // Тракторы и сельхозмашины. 2006. № 12. с. 15–19.
14. Лиханов В. А., Россохин А. В., Олейник М. А., Рудаков Л. В. Улучшение экологических показателей дизеля с турбонaддyвом путем применения природного газа // Тракторы и сельхозмашины. 2006. № 9. с. 8–10.
