Способ оценки воспламеняемости моторных топлив для двигателей внутреннего сгорания
METHOD FOR ASSESSING THE FLAMMABILITY OF MOTOR FUELS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Изобретение относится к исследованию и анализу влияния моторных топлив различного компонентного, углеводородного, фракционного состава на процесс сгорания в поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) по снятым развернутым индикаторным диаграммам и может быть использовано во всех лабораториях, имеющих моторные стенды и проводящие исследования различных видов топлива применительно к поршневым ДВС.
Индикаторная диаграмма - диаграмма в координатах «давление внутрицилиндровых газов - объем» (P-V) или «давление внутрицилиндровых газов - угол поворота коленчатого вала» (Р-ϕ). По диаграмме в координатах P-V удобно проводить термодинамический анализ (определять индикаторную работу, показатели политропы и температуру процессов сжатия и расширения, тепловыделения и др.). В координатах Р-ϕ удобно анализировать процесс сгорания с оценкой его динамичности, продолжительности и характера протекания процесса. Диаграмму, снятую в координатах Р-ϕ, называют развернутой, а построенную в координатах P-V - свернутой.
Индикаторные диаграммы ДВС при его работе на испытуемых топли-вах снимают в течение рабочего дня при идентичных условиях эксплуатации: атмосферном давлении, температуре окружающего воздуха, относительной влажности и постоянной температуре топлива на входе в топливный насос высокого давления [1 - Тормозная установка для оценки влияния моторных топлив на процесс сгорания в дизеле / Д.А. Уханов, А.И. Лубенцов, И.И. Крикун, Р.И. Алибеков // сборник статей V Международной НПК. - Пенза: РИО ПГАУ, 2021. - С. 98-102].
Одним из требований приемочных испытаний новых или модифицированных топлив является проведение моторных испытаний в стендовых условиях, по результатам которых дается квалификационная оценка моторному топливу по показателям процесса сгорания в поршневом ДВС. Процесс сгорания в ДВС анализируют по развернутой индикаторной диаграмме в координатах Р-ϕ, в которой выделяют четыре фазы: задержку воспламенения, быстрое горение, замедленное горение и догорание. Первая фаза начинается от момента начала впрыска топлива в камеру сгорания двигателя и заканчивается моментом начала воспламенения топлива (окончание периода задержки самовоспламенения). Оценочным показателем первой фазы является период задержки воспламенения. Вторая фаза включает время интенсивного турбулентного горения топливовоздушной смеси с резким увеличением давления от момента воспламенения топлива до момента достижения максимального давления цикла. Оценочными показателями второй фазы являются: максимальное давление цикла, максимальная и средняя скорости нарастания давления, степень повышения давления. Третья фаза включает время замедленного горения от момента достижения максимального давления цикла до момента достижения максимальной температуры цикла. Оценочными показателями третьей фазы являются максимальная температура цикла и коэффициент активного тепловыделения. Четвертая фаза включает время догорания топлива от момента достижения максимальной температуры цикла до момента окончания тепловыделения. Оценочным показателем четвертой фазы является коэффициент активного тепловыделения.
Каждый из этих показателей характеризует процесс работы ДВС на конкретном топливе. Для обеспечения благоприятного протекания процесса сгорания без резкого повышения давления, топлива должны обладать оптимальной воспламеняемостью. Фаза быстрого горения характеризуется высокой скоростью нарастания давления, большой величиной максимального давления цикла, что приводит к жесткой работе двигателя [2 - Химмотология горючесмазочных материалов / А.С.Сафонов, А.И. Ушаков, В.В. Гришин. - СПб.: Изд-во НПИКЦ, 2007, С. 99]. Путем сравнения показателей фазы быстрого горения можно составить качественное заключение о целесообразности использования новых и модернизированных марок моторных топлив в ДВС. Определение оценочных показателей фазы быстрого горения (максимальное давление цикла, максимальная и средняя скорости нарастания давления, степень повышения давления) проводятся с большими трудозатратами.
Перед авторами поставлена задача - разработать способ, позволяющий оценить воспламеняемость моторных топлив по показателям жесткости процесса сгорания ДВС с меньшей трудоемкостью, который может быть реализован для техники двойного назначения (военной и гражданской техники) на доступном российском оборудовании.
Известен способ оценки воспламеняемости моторных топлив по показателям жесткости процесса сгорания ДВС, который заключается в снятии развернутой индикаторной диаграммы в координатах «давление цилиндровых газов - угол поворота коленчатого вала». С помощью снятой развернутой индикаторной диаграммы оценивают фазу быстрого горения по максимальному давлению цикла, средней и максимальной скорости нарастания давления, степени повышения давления [3 - Энергетические машины и установки. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. пособие / А.В. Николаенко, B.C. Шкрабак. - СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2004, С. 58-61, рис. 13].
Недостатком данного способа является оценка воспламеняемости моторных топлив по показателям жесткости процесса сгорания ДВС в фазе быстрого горения по нескольким показателям (максимальному давлению цикла, средней и максимальной скорости нарастания давления, степени повышения давления), что сказывается на трудоемкости оценки воспламеняемости по жесткости процесса сгорания при работе двигателя на новых и модернизированных марок моторных топлив.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ определения периода задержки воспламенения жидких и газообразных топлив, который заключается в фиксации текущего значения давления цилиндровых газов в камере сгорания двигателя с дискретностью 40 мкс и угла поворота коленчатого вала, построение развернутой индикаторной диаграммы в координатах «давление цилиндровых газов - угол поворота коленчатого вала» и определение периода задержки воспламенения по отрезку времени постоянства давления цилиндровых газов в камере сгорания ДВС [4 - Патент РФ №2761299, G01N 25/52, G01N 33/22 - прототип].
Недостатком данного способа является оценка моторных топлив только по первой фазе - периоду задержки воспламенения. Это недостаточно для оценки воспламеняемости моторных топлив по показателям жесткости процесса сгорания ДВС, что в дальнейшем потребует определение оценочных показателей в фазе быстрого горения. Это приводит к значительной трудоемкости исследований.
Технический результат изобретения - снижение трудоемкости оценки воспламеняемости моторных топлив по показателям жесткости процесса сгорания ДВС с использованием снятой развернутой индикаторной диаграммы без снижения требований по достоверности и точности.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки воспламеняемости моторных топлив для двигателей внутреннего сгорания, включающей фиксацию значений давления цилиндровых газов в камере сгорания двигателя с дискретностью 40 мкс и углов поворота коленчатого вала, построение развернутой индикаторной диаграммы в координатах «давление цилиндровых газов - угол поворота коленчатого вала», состоящей из фаз задержки воспламенения, быстрого горения, замедленного горения и догорания, принятие отрезка времени, в течение которого давление цилиндровых газов имеет отклонение ±4%, за период задержки воспламенения согласно изобретению, дополнительно осуществляют работу двигателя в идентичных условиях без впрыска топлива в камеру сгорания с построением развернутой индикаторной диаграммы, которую совмещают с развернутой индикаторной диаграммой работы двигателя с впрыском топлива, фиксируют точку расхождения диаграмм давления цилиндровых газов после окончания периода задержки воспламенения и точку максимального давления цикла, которую соединяют линией, перпендикулярной оси координат угла поворота коленчатого вала, после чего замеряют площадь, ограниченную индикаторными диаграммами с впрыском топлива и без впрыска топлива и точками начала воспламенения, максимального давления цикла и точкой пересечения линии, перпендикулярной оси координат угла поворота коленчатого вала с индикаторной диаграммой без впрыска топлива, которую сравнивают с площадью индикаторной диаграммы, снятой на другом образце топлива в идентичных условиях работы двигателя и по разности этих площадей делают вывод о воспламеняемости испытываемых моторных топлив.
БГ
На фиг. 1 представлены развернутые индикаторные диаграммы с впрыском топлива и без впрыска топлива: А - развернутая индикаторная диаграмма с впрыском топлива; Б - развернутая индикаторная диаграмма без впрыска топлива; S - площадь, ограниченная индикаторными диаграммами А и Б между точками расхождения 2, максимального давления цикла 3 и пересечения линии, перпендикулярной оси угла поворота коленчатого вала, с индикаторной диаграммой без впрыска топлива 6 (площадь индикаторной диаграммы в фазе быстрого горения); тч. 1 - момент начала впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя; тч. 2 - момент начала воспламенения топлива (окончание периода задержки самовоспламенения); тч. 3 - момент достижения максимального давления цикла; тч. 4 - момент достижения максимальной температуры цикла; тч. 5 - момент окончания тепловыделения; тч. 6 - момент пересечения линии, перпендикулярной оси угла поворота коленчатого вала, с индикаторной диаграммой без впрыска топлива; I - фаза задержки воспламенения (между тч. 1-тч. 2); II - фаза быстрого горения (между тч. 2-тч. 3); III - фаза замедленного горения (между тч. 3-тч. 4); IV - фаза догорания (между тч. 4-тч. 5).
Способ оценки воспламеняемости моторных топлив для двигателей внутреннего сгорания реализуется следующим образом.
Осуществляется запись давления цилиндровых газов и регистрация угла поворота коленчатого вала двигателя, в результате чего получены развернутые индикаторные диаграммы с впрыском топлива А и без впрыска топлива Б (фиг. 1). На развернутых индикаторных диаграммах фиксируется момент воспламенения, т.е. отрыв кривой давления при сгорании с впрыском топлива А от кривой давления при сжатии без впрыска топлива Б (точка 2), момент достижения максимального давления цикла (точка 3) и момент пересечения линии, перпендикулярной оси угла поворота коленчатого вала, с индикаторной диаграммой без впрыска топлива (точка 6). Замеряют площадь в у.е., ограниченную индикаторными диаграммами с впрыском топлива А и без впрыска топлива Б и точками 2, 3 и 6, принятую за показатель жесткости работы двигателя. У.е. - условная единица измерения площади развернутой индикаторной диаграммы в координатах давление цилиндровых газов - угол поворота коленчатого вал, т.е. в координатах «Р (МПа) - ϕ (град, п.к.в.)». Затем сравнивают площадь испытуемых образцов топлив между собой в идентичных условиях работы двигателя.
БГ
Определяют разность этих площадей ΔS по формуле
где  - площадь, ограниченная индикаторными диаграммами с впрыском топлива и без впрыска топлива и точками 2, 3 и 6 при работе двигателя на первом образце испытуемого топлива в у.е.;  - площадь, ограниченная индикаторными диаграммами с впрыском топлива и без впрыска топлива и точками 2, 3 и 6 при работе двигателя на втором образце испытуемого топлива в у.е.
По разности этих площадей в фазе быстрого горения делают вывод о воспламеняемости испытуемых образцов топлив по показателям жесткости процесса сгорания в двигателе.
Пример. Необходимо сравнить два образца испытуемых топлив по снятым развернутым индикаторным диаграммам дизеля Д-245.12С: товарное летнее дизельное топливо (ДТ) и товарное арктическое ДТ (таблица 1).
Оценка исследуемых топлив осуществлялась на экспериментальной установке, в состав которой входили автомобильный дизель Д-245.12С, динамометрическая машина VSETIN IDS 932N с пультом управления и контрольно-измерительные приборы (измерители нагрузки на тормозе стенда, частоты вращения коленчатого вала дизеля, расхода топлива, температуры и давления масла в двигателе и т.п.).
Дизель Д-245.12С запускают и нагружают динамометрической машиной через карданный вал. Изменение подачи топлив осуществляют регулировочной рейкой топливного насоса высокого давления приводимой электроприводом дистанционно с пульта управления. Снятие параметров двигателя с регистрирующей аппаратуры моторного стенда осуществляют с помощью приборов выведенных на панель приборов управления и персональный компьютер. Запись развернутых индикаторных диаграмм ДВС с впрыском топлива и без впрыска топлива осуществляют на персональный компьютер через аналогово-цифровой преобразователь. На развернутых индикаторных диаграммах фиксируют момент начала воспламенения топлива тч. 2, момент достижения максимального давления цикла тч. 3 и момент пересечения линии, перпендикулярной оси угла поворота коленчатого вала, с индикаторной диаграммой без впрыска топлива тч.6. Замеряют площадь испытуемых образцов в у.е., ограниченную индикаторными диаграммами с впрыском топлива А и без впрыска топлива Б и точками 2, 3 и 6.
-1
Результаты определения показателей жесткости процесса сгорания в двигателе при частоте вращения коленчатого вала 2400 мин для оценки воспламеняемости испытуемых образцов топлив представлены в таблице 2.
Анализ таблицы 2 показывает, что при работе двигателя на летнем ДТ максимальное давление цикла (11,5 МПа), средняя скорость нарастания давления (0,249 МПа/град.) и степень повышения давления (2,325) выше, чем при работе двигателя на арктическом ДТ. Чем выше эти показатели, тем жестче работает двигатель, что приводит к возрастанию нагрузки на детали и их износ.
БГ
В свою очередь при работе двигателя на летнем ДТ площадь S меньше на 0,00025 у.е., что подтверждает и использование показателя по изобретению - площади индикаторной диаграммы в фазе быстрого горения в качестве оценочного показателя жесткости работы двигателя для оценки воспламеняемости моторных топлив.
Таким образом, применение изобретения позволит оценивать воспламеняемость моторных топлив по показателям жесткости процесса сгорания в двигателе в фазе быстрого горения с меньшими трудозатратами, т.к. исключается определение оценочных показателей жесткости процесса сгорания: максимальное давление цикла, максимальная и средняя скорости нарастания давления, степень повышения давления.