Влияние начальной температуры топлива на характеристики топливоподачи и период задержки воспламенения в дизеле
Ш.
В. БузиковБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Бузиков
Ш.
В. Влияние начальной температуры топлива на характеристики топливоподачи и период задержки воспламенения в дизеле // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – № S10. – С.
6–10. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/14617.htm.
Аннотация. Проанализированы зависимости влияния начальной температуры топлива на число Вебера и поверхностное натяжение капли дизельного топлива двигающегося в камере сгорания, а также на период задержки воспламенения.
Ключевые слова:
начальная температура, число вебера, поверхностное натяжение, период за-держки воспламенения
Текст статьи
Бузиков Шамиль Викторович,Кандидаттехническихнаук, заведующийкафедройестественнонаучных и общетехнических дисциплин филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет» в г.Кирове, г.Кировshamilvb@mail.ru
Влияние начальной температуры топлива на характеристики топливоподачи и период задержки воспламенения в дизеле
Аннотация.Проанализированы зависимости влияния начальной температуры топлива на число Вебера и поверхностное натяжение капли дизельного топлива двигающегося в камере сгорания, а также на период задержки воспламенения.Ключевые слова: начальная температура, число Вебера, поверхностное натяжение, период задержки воспламенения.Раздел:(03) философия; социология; политология; правоведение; науковедение.
Количественный анализ смесеобразования и горения в цилиндре дизеля сопряжен с некоторыми проблемами и до настоящего времени мало изучен. В этой связи решение задачи может быть основано на общих известных закономерностях. Повышенная сложность описания факела горящего топлива может быть преодолена делением на характерные зоны. Известны различные подходы к структурированию факела. Большинство учёных предлагает разбивку факела на несколько областей, различающихся некоторыми термодинамическими параметрами [1, 2].Тогда задача изучения факела сводится к определению начальной скорости топлива, дальнобойности струи, вероятности её разрыва, зависимости указанных параметров от времени.Впрыскиваемая в цилиндр дизеля цикловая доза топлива характеризуется способностью к испарению и деструкции топливной струи. Процесс деструкции в первом приближении можно считать происходящим по цепному принципу и обуславливающим такими термодинамическими параметрами как давление, температура в камере сгорания.Вероятность дробления струи оценивается с помощью известного числа Вебера, описывающего отношение сил аэродинамического сопротивления к силамповерхностного натяжения капли топлива удерживающим форму шара. Число Вебера можно представить, как произведение числа капиллярности и числа Рейнольдса:�=�∙�, (1)где �–число капиллярности:�=ఎ∙జ��∙cosఏ, (2)где ߟ–динамический коэффициент вязкости, Па∙с;߭–скорость струи дизельного топлива в газе, мм/с;�–коэффициент поверхностного натяжения капель дизельного топлива в факеле, Н/м;ߠ–угол мениска, град.�–число Рейнольдса:�=�с∙జ�∙ௗఎ, (3)где �с–плотность газовой среды, г/мм3;݀–диаметр распылителя, мм.После преобразований получим выражение для числа Вебера:�=�с∙జс2∙ௗ�∙cosఏ. (4)Используя правило Этвёша, а также зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры и теплоты парообразования [3,4] можно записать:�=(ݎ−�ೠ∙�ெ∙(1−�ഔ�))∙ெ13∙�236∙ே13, (5)где ݎ–удельная теплота парообразования Дж/кг;�௨–универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль∙К);�–температура капли дизельного топлива, К;ܯ–молекулярная масса дизельного топлива, кг/кмоль;�జ–плотность пара дизельного топлива, кг/м3;�–плотность дизельного топлива, кг/м3;ܰ–число Авогадро, кмоль1.Скорость струи дизельного топлива в газе можно также определить по известному выражению [5]:߭=√(ф−ц)∙2�∙106, (6)где ф–среднее давление впрыскивания топлива форсункой, МПа;ц–среднее давление газа в цилиндре в период впрыскивания топлива, МПа.Наиболее точный расчёт периода задержки воспламенения ПЗВ, с учётом скоростного и нагрузочного режима работы дизеля, свойств топлива и параметров топливоподачи, позволяет использование модели, разработанной в МАДИ (ГТУ) [6, 7, 8]:߮�̅=ఝ�ఝвпр=√6∙݊∙10−4∙{[√�(�оп.впрКТ−�нв)]а+[АТ2√�−(1−കвпр�оп.впр)КТ]∙√а1−1�1∙�оп.впрр}, (7)где: ߮�̅–относительный период задержки воспламенения;߮�
период задержки воспламенения ПЗВ в градусах п.к.в.;߮впр
продолжительность впрыскивания топлива в градусах п.к.в.;݊
частота вращения коленчатого вала двигателя, мин1;�
плотность топлива, г/см3;�оп.впр
угол опережения впрыскивания топлива до ВМТ в градусах п.к.в.;КТ
характеристический фактор топлива:КТ=1,216∙√Т50�3, (8)где Т50–температура выкипания 50% топлива по кривой фракционной разгонки, К;�нв–безразмерная температура начала впрыскивания:�нв=1(4,38+2,29∙�Т50)∙Т50Тнв+25∙(1ЦЧ−1100), (9)где Тнв–температура среды воздушного заряда в цилиндре двигателя в момент начала впрыскивания, К;ЦЧ–цетановое число топлива;а–коэффициент температуропроводности среды, м²/с:а=�1(а1−1), (10)где �1–коэффициент характеризующий отношение скорости физических процессов к температуре начала впрыскивания:�1=�ф�нв, (11)где �ф–безразмерная скорость физических процессов:�ф=�ೡ,�∙нвСೡ∙Тнв∙�∙о, (12)где �௩,�
относительная степень испарения топлива за период задержки воспламенения:�௩,�=ೡ,��,�, (13)где ݉௩,�
масса топлива испарившегося за период задержки воспламенения, г;݉�,�масса топлива поданное за период задержки воспламенения в камеру сгорания двигателя, гݍнв–количество теплоты необходимое для полного испарения топлива, Дж:ݍнв=СТ(�50−�то)+ݎ+12�,௩(�нв−�50), (14)где СТ–средняя теплоёмкость жидкого топлива в интервале температур от �тодо �50, Дж/К;�то–начальная температура топлива, К;ݎ
удельная скрытая теплота парообразования, Дж;�,௩–средняя теплоёмкость паров топлива в интервале температур от �50до �нв, Дж/К;�нв
температура среды (заряда) в момент начала впрыска топлива, К;�௩–теплоёмкость топлива при �=ܿ݊ݏݐ, Дж/К;�
коэффициент избытка воздуха;݈о–стехиометрическое количество воздуха, кг;а1–коэффициент, учитывающий отношение характеристики заряда к скорости физических процессов:а1=В1∙(�−1)�ф∙�нв, (15)где В1–относительный коэффициент, учитывающий изменение объёма заряда в зависимости от параметров впрыскивания:В1=(�нв−�с)∙ఝвпр�оп.впр, (16)где �нв–объём среды воздушного заряда в цилиндре двигателя в момент начала впрыскивания топлива, см3:�нв=�ℎ2[�+1�−1−cos߮+�4(1−cos2߮)], (17)где �ℎ
рабочий объём цилиндра, см3;�
степень сжатия;߮–угол поворота кривошипа, град;�
отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;�с–объём камеры сгорания двигателя, см3;�
показатель адиабаты;АТ–коэффициент, зависящий от свойств топлива:АТ=КТ∙Т50273∙ЦЧ, (18)�1–безразмерная характеристика выделения и стока теплоты:�1=√а∙е2а (19)�оп.впрр
действительный угол опережения впрыскивания, рад.Анализ представленных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что в значительной мере на продолжительность периода задержки воспламенения оказывают параметры топливоподачи, в частности начальная температура топлива �то, которая определяет количество теплоты необходимое для полного испарения топлива. Следовательно, если подать нагретое топливо в цилиндры дизеля тогда уменьшится время для его нагрева и испарения, а также сократится время индукции заряда, что приведёт к сокращению периода задержки воспламенения. Процесс впрыскивания нагретого топлива будет также сопровождаться снижением времени деструкции топливного факела в связи с уменьшением поверхностного натяжения капель топлива и их последующего испарения. При этом основное влияние может оказать температура топливного факела посредством меньшей величины поверхностного натяжения и дальнейшего диспергирования, и испарения капель топлива, что приведёт к сокращению времени индукции термохимической реакции горения.Следует также учитывать возможный диапазон нагрева впрыскиваемого дизельного топлива. Так, при его нагреве до критической температуры (ݎ−�ೠ∙�ெ=0) значение коэффициента поверхностного натяжения �=0. Это способствует полной деструкции капли дизельного топлива с резким увеличением свободной поверхности его нагрева, что, в свою очередь, будет сопровождаться ещё более быстрым её испарением и сокращением периода задержки воспламенения. Также в значительной мере уменьшится дальнобойность струи топлива, причём оставшиеся капли не успеют достигнуть стенок камеры сгорания. При этом работа дизеля будет сопровождаться меньшей жёсткостью процесса сгорания.Комплексный анализ известных аналитических зависимостей для оценки характера процесса сгорания [1,2,3,4,5] позволяет сформулировать следующие выводы.1. Нагрев впрыскиваемого топлива повлечет к уменьшению времени индукции заряда и уменьшению периода задержки воспламенения.2. Работа дизеля с подачей нагретого топлива будет сопровождаться меньшей жёсткостью процесса сгорания.
Ссылки на источники1.Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. –Харьков: Высшая школа, 1980. –169 с.2.Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Л.: Машиностроение, 1972. –224 с.3. Хайдаров Г.Г. Вывод теоретической зависимости поверхностного натяжения от температуры из теории «распаковки молекул» // Журнал «Диалоги о науке», 2011, №2, с. 33384. Хайдаров Г.Г. О связи поверхностного натяжения жидкости с теплотой парообразования // Журнал физической химии, 1983, №10 с. 252825305. Улучшение эксплуатационных показателей дизелей путем создания новых альтернативных топлив и совершенствования топливоподающей аппаратуры Плотников С.А. автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Нижегородский государственный технический университет. Нижний Новгород, 20116. Карташевич А.Н., Плотников С.А. Алгоритм расчета цетанового числа и периода задержки воспламенения при работе дизельного двигателя на спиртовых топливах//Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. 2007. № 4. С. 108112.7. Плотников С.А., Бузиков Ш.В., Карташевич А.Н., Гурков Г.Н. Программа расчета периода задержки воспламенения этанолсодержащего топлива в дизеле (ПЗВЭтанол)//Свидетельство об офиц. регистр. прогр. для ЭВМ № 2010610381 от 11.01.2010.8. Плотников С.А., Бузиков Ш.В., Карташевич А.Н., Гурков Г.Н. Программа расчета параметров фазы быстрого горения в дизеле при работе на этанолсодержащих топливах (ФБГЭтанол)//Свидетельство об офиц. регистр. прогр. для ЭВМ № 2010610380 от 11.01.2010
Shamil Buzikov,
Candidate of Engineering Sciences, head ofthe chair of natural and general engineering sciences, branch of Moscow State Industrial University in Kirov, Kirovshamilvb@mail.ruInfluence of initial fuel temperature on the characteristics of fuel injection and ignition delay period in thediesel engineAbstract.The author analyzes the dependence ofinfluence of initial temperature of the fuel onthe Weber number and surface tension of a drop of diesel fuel moving into the combustion chamber, as well as on the ignition delay period.Key words:initial temperature, the Weber number, surface tension, the ignition delay period.
Рекомендовано к публикации:Горевым П.М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала «Концепт»
Влияние начальной температуры топлива на характеристики топливоподачи и период задержки воспламенения в дизеле
Аннотация.Проанализированы зависимости влияния начальной температуры топлива на число Вебера и поверхностное натяжение капли дизельного топлива двигающегося в камере сгорания, а также на период задержки воспламенения.Ключевые слова: начальная температура, число Вебера, поверхностное натяжение, период задержки воспламенения.Раздел:(03) философия; социология; политология; правоведение; науковедение.
Количественный анализ смесеобразования и горения в цилиндре дизеля сопряжен с некоторыми проблемами и до настоящего времени мало изучен. В этой связи решение задачи может быть основано на общих известных закономерностях. Повышенная сложность описания факела горящего топлива может быть преодолена делением на характерные зоны. Известны различные подходы к структурированию факела. Большинство учёных предлагает разбивку факела на несколько областей, различающихся некоторыми термодинамическими параметрами [1, 2].Тогда задача изучения факела сводится к определению начальной скорости топлива, дальнобойности струи, вероятности её разрыва, зависимости указанных параметров от времени.Впрыскиваемая в цилиндр дизеля цикловая доза топлива характеризуется способностью к испарению и деструкции топливной струи. Процесс деструкции в первом приближении можно считать происходящим по цепному принципу и обуславливающим такими термодинамическими параметрами как давление, температура в камере сгорания.Вероятность дробления струи оценивается с помощью известного числа Вебера, описывающего отношение сил аэродинамического сопротивления к силамповерхностного натяжения капли топлива удерживающим форму шара. Число Вебера можно представить, как произведение числа капиллярности и числа Рейнольдса:�=�∙�, (1)где �–число капиллярности:�=ఎ∙జ��∙cosఏ, (2)где ߟ–динамический коэффициент вязкости, Па∙с;߭–скорость струи дизельного топлива в газе, мм/с;�–коэффициент поверхностного натяжения капель дизельного топлива в факеле, Н/м;ߠ–угол мениска, град.�–число Рейнольдса:�=�с∙జ�∙ௗఎ, (3)где �с–плотность газовой среды, г/мм3;݀–диаметр распылителя, мм.После преобразований получим выражение для числа Вебера:�=�с∙జс2∙ௗ�∙cosఏ. (4)Используя правило Этвёша, а также зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры и теплоты парообразования [3,4] можно записать:�=(ݎ−�ೠ∙�ெ∙(1−�ഔ�))∙ெ13∙�236∙ே13, (5)где ݎ–удельная теплота парообразования Дж/кг;�௨–универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль∙К);�–температура капли дизельного топлива, К;ܯ–молекулярная масса дизельного топлива, кг/кмоль;�జ–плотность пара дизельного топлива, кг/м3;�–плотность дизельного топлива, кг/м3;ܰ–число Авогадро, кмоль1.Скорость струи дизельного топлива в газе можно также определить по известному выражению [5]:߭=√(ф−ц)∙2�∙106, (6)где ф–среднее давление впрыскивания топлива форсункой, МПа;ц–среднее давление газа в цилиндре в период впрыскивания топлива, МПа.Наиболее точный расчёт периода задержки воспламенения ПЗВ, с учётом скоростного и нагрузочного режима работы дизеля, свойств топлива и параметров топливоподачи, позволяет использование модели, разработанной в МАДИ (ГТУ) [6, 7, 8]:߮�̅=ఝ�ఝвпр=√6∙݊∙10−4∙{[√�(�оп.впрКТ−�нв)]а+[АТ2√�−(1−കвпр�оп.впр)КТ]∙√а1−1�1∙�оп.впрр}, (7)где: ߮�̅–относительный период задержки воспламенения;߮�
период задержки воспламенения ПЗВ в градусах п.к.в.;߮впр
продолжительность впрыскивания топлива в градусах п.к.в.;݊
частота вращения коленчатого вала двигателя, мин1;�
плотность топлива, г/см3;�оп.впр
угол опережения впрыскивания топлива до ВМТ в градусах п.к.в.;КТ
характеристический фактор топлива:КТ=1,216∙√Т50�3, (8)где Т50–температура выкипания 50% топлива по кривой фракционной разгонки, К;�нв–безразмерная температура начала впрыскивания:�нв=1(4,38+2,29∙�Т50)∙Т50Тнв+25∙(1ЦЧ−1100), (9)где Тнв–температура среды воздушного заряда в цилиндре двигателя в момент начала впрыскивания, К;ЦЧ–цетановое число топлива;а–коэффициент температуропроводности среды, м²/с:а=�1(а1−1), (10)где �1–коэффициент характеризующий отношение скорости физических процессов к температуре начала впрыскивания:�1=�ф�нв, (11)где �ф–безразмерная скорость физических процессов:�ф=�ೡ,�∙нвСೡ∙Тнв∙�∙о, (12)где �௩,�
относительная степень испарения топлива за период задержки воспламенения:�௩,�=ೡ,��,�, (13)где ݉௩,�
масса топлива испарившегося за период задержки воспламенения, г;݉�,�масса топлива поданное за период задержки воспламенения в камеру сгорания двигателя, гݍнв–количество теплоты необходимое для полного испарения топлива, Дж:ݍнв=СТ(�50−�то)+ݎ+12�,௩(�нв−�50), (14)где СТ–средняя теплоёмкость жидкого топлива в интервале температур от �тодо �50, Дж/К;�то–начальная температура топлива, К;ݎ
удельная скрытая теплота парообразования, Дж;�,௩–средняя теплоёмкость паров топлива в интервале температур от �50до �нв, Дж/К;�нв
температура среды (заряда) в момент начала впрыска топлива, К;�௩–теплоёмкость топлива при �=ܿ݊ݏݐ, Дж/К;�
коэффициент избытка воздуха;݈о–стехиометрическое количество воздуха, кг;а1–коэффициент, учитывающий отношение характеристики заряда к скорости физических процессов:а1=В1∙(�−1)�ф∙�нв, (15)где В1–относительный коэффициент, учитывающий изменение объёма заряда в зависимости от параметров впрыскивания:В1=(�нв−�с)∙ఝвпр�оп.впр, (16)где �нв–объём среды воздушного заряда в цилиндре двигателя в момент начала впрыскивания топлива, см3:�нв=�ℎ2[�+1�−1−cos߮+�4(1−cos2߮)], (17)где �ℎ
рабочий объём цилиндра, см3;�
степень сжатия;߮–угол поворота кривошипа, град;�
отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;�с–объём камеры сгорания двигателя, см3;�
показатель адиабаты;АТ–коэффициент, зависящий от свойств топлива:АТ=КТ∙Т50273∙ЦЧ, (18)�1–безразмерная характеристика выделения и стока теплоты:�1=√а∙е2а (19)�оп.впрр
действительный угол опережения впрыскивания, рад.Анализ представленных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что в значительной мере на продолжительность периода задержки воспламенения оказывают параметры топливоподачи, в частности начальная температура топлива �то, которая определяет количество теплоты необходимое для полного испарения топлива. Следовательно, если подать нагретое топливо в цилиндры дизеля тогда уменьшится время для его нагрева и испарения, а также сократится время индукции заряда, что приведёт к сокращению периода задержки воспламенения. Процесс впрыскивания нагретого топлива будет также сопровождаться снижением времени деструкции топливного факела в связи с уменьшением поверхностного натяжения капель топлива и их последующего испарения. При этом основное влияние может оказать температура топливного факела посредством меньшей величины поверхностного натяжения и дальнейшего диспергирования, и испарения капель топлива, что приведёт к сокращению времени индукции термохимической реакции горения.Следует также учитывать возможный диапазон нагрева впрыскиваемого дизельного топлива. Так, при его нагреве до критической температуры (ݎ−�ೠ∙�ெ=0) значение коэффициента поверхностного натяжения �=0. Это способствует полной деструкции капли дизельного топлива с резким увеличением свободной поверхности его нагрева, что, в свою очередь, будет сопровождаться ещё более быстрым её испарением и сокращением периода задержки воспламенения. Также в значительной мере уменьшится дальнобойность струи топлива, причём оставшиеся капли не успеют достигнуть стенок камеры сгорания. При этом работа дизеля будет сопровождаться меньшей жёсткостью процесса сгорания.Комплексный анализ известных аналитических зависимостей для оценки характера процесса сгорания [1,2,3,4,5] позволяет сформулировать следующие выводы.1. Нагрев впрыскиваемого топлива повлечет к уменьшению времени индукции заряда и уменьшению периода задержки воспламенения.2. Работа дизеля с подачей нагретого топлива будет сопровождаться меньшей жёсткостью процесса сгорания.
Ссылки на источники1.Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. –Харьков: Высшая школа, 1980. –169 с.2.Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Л.: Машиностроение, 1972. –224 с.3. Хайдаров Г.Г. Вывод теоретической зависимости поверхностного натяжения от температуры из теории «распаковки молекул» // Журнал «Диалоги о науке», 2011, №2, с. 33384. Хайдаров Г.Г. О связи поверхностного натяжения жидкости с теплотой парообразования // Журнал физической химии, 1983, №10 с. 252825305. Улучшение эксплуатационных показателей дизелей путем создания новых альтернативных топлив и совершенствования топливоподающей аппаратуры Плотников С.А. автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Нижегородский государственный технический университет. Нижний Новгород, 20116. Карташевич А.Н., Плотников С.А. Алгоритм расчета цетанового числа и периода задержки воспламенения при работе дизельного двигателя на спиртовых топливах//Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. 2007. № 4. С. 108112.7. Плотников С.А., Бузиков Ш.В., Карташевич А.Н., Гурков Г.Н. Программа расчета периода задержки воспламенения этанолсодержащего топлива в дизеле (ПЗВЭтанол)//Свидетельство об офиц. регистр. прогр. для ЭВМ № 2010610381 от 11.01.2010.8. Плотников С.А., Бузиков Ш.В., Карташевич А.Н., Гурков Г.Н. Программа расчета параметров фазы быстрого горения в дизеле при работе на этанолсодержащих топливах (ФБГЭтанол)//Свидетельство об офиц. регистр. прогр. для ЭВМ № 2010610380 от 11.01.2010
Shamil Buzikov,
Candidate of Engineering Sciences, head ofthe chair of natural and general engineering sciences, branch of Moscow State Industrial University in Kirov, Kirovshamilvb@mail.ruInfluence of initial fuel temperature on the characteristics of fuel injection and ignition delay period in thediesel engineAbstract.The author analyzes the dependence ofinfluence of initial temperature of the fuel onthe Weber number and surface tension of a drop of diesel fuel moving into the combustion chamber, as well as on the ignition delay period.Key words:initial temperature, the Weber number, surface tension, the ignition delay period.
Рекомендовано к публикации:Горевым П.М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала «Концепт»
