Способ оценки горючести моторных топлив в фазах замедленного горения и догорания по развернутой индикаторной диаграмме дизельного двигателя
METHOD FOR ASSESSING THE FLAMMABILITY OF MOTOR FUELS IN THE PHASES OF DELAYED COMBUSTION AND AFTERBURNING ACCORDING TO THE EXPANDED INDICATOR DIAGRAM OF A DIESEL ENGINE

Изобретение относится к исследованию работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) со сжатием воздуха и с самовоспламенением и анализу влияния моторных топлив различного компонентного, углеводородного, фракционного состава на процесс сгорания в поршневом ДВС с помощью тепловых средств, в частности по снятым развернутым индикаторным диаграммам, и может быть использовано во всех лабораториях, имеющих моторные стенды и проводящие исследования различных видов топлива для поршневых ДВС.
Горючесть - эксплуатационное свойство, характеризующее особенности и результат процесса горения топлива. Оценивают низшей или высшей теплотой сгорания и плотностью [1 - Химмотология горюче-смазочных материалов / А.С. Сафонов, А.И. Ушаков, В.В. Гришин. - СПб.: Изд-во НПИКЦ, 2007, С. 104].
Теплота сгорания - количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании твердого, жидкого или газообразного топлива, измеряется в джоулях или калориях [2 - Энциклопедия химмотологии / Н.Н. Гришин, В.В. Середа. - М.: Издательство «Перо», 2016, С. 711-712].
Плотность характеризует удельную энергоемкость топлива - потенциальный запас химической энергии (тепловой), заключенной в единице массы или объема топлива при стандартных условиях [1, С. 104].
Горючесть топлива влияет на коэффициент полезного действия (КПД) ДВС, их мощность и топливную экономичность [2, С. 108].
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 [3 - Энергетические машины и установки. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. пособие / А.В. Николаенко, B.C. Шкрабак. - СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2004, С. 7].
Индикаторные диаграммы ДВС при его работе на испытуемых топливах 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 [4 - 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 [2, С. 177-178]. На развернутой индикаторной диаграмме в координатах Р-ϕ 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 [3, С. 58-59].
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 [3, С. 59-61].
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, скорость тепловыделения и коэффициент активного тепловыделения [3, С. 61].
Четвертая фаза включает время догорания топлива от момента достижения максимальной температуры цикла до момента окончания тепловыделения. Оценочным показателем четвертой фазы является скорость тепловыделения и коэффициент активного тепловыделения [3, С. 61-62].
Каждый из этих показателей характеризует процесс работы ДВС на конкретном топливе. Путем сравнения показателей процесса сгорания двигателя можно составить качественное заключение о целесообразности использования новых и модернизированных марок моторных топлив в ДВС.
Для оценки процесса сгорания в фазах замедленного горения и догорания в дизельном двигателе строят характеристики тепловыделения по результатам обработки развернутой индикаторной диаграммы для определения скорости тепловыделения и коэффициента активного тепловыделения, что позволяет изучить процесс преобразования теплоты в механическую работу [5 - Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д.П. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др. Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1983, С. 135-141]. В фазах замедленного горения и догорания дизельного двигателя выделяется 95-98% теплоты от общей выделившейся теплоты при сгорании топлива во всех фазах процесса сгорания. Определение оценочных показателей процесса сгорания в фазах замедленного горения и догорания (скорость тепловыделения и коэффициент активного тепловыделения) проводятся с большими трудозатратами, т.к. необходимо построение характеристик тепловыделения по снятой развернутой индикаторной диаграммы дизельного двигателя.
Горючесть зависит от химического, группового углеводородного и фракционного состава топлива. Горючесть характеризует результат процесса сгорания топлива в ДВС, который можно оценить по результатам снятия развернутой индикаторной диаграммы. Путем сравнения развернутых индикаторных диаграмм, снятых на разных топливах можно составить качественное заключение о горючести новых и модернизированных марок моторных топлив в ДВС. Определение горючести в фазах замедленного горения и догорания проводятся с большими трудозатратами.
Перед авторами стояла задача - разработать способ, позволяющий оценить горючесть моторных топлив в фазах замедленного горения и догорания по развернутой индикаторной диаграмме дизельного двигателя с меньшей трудоемкостью, который может быть реализован для техники двойного назначения (военной и гражданской техники) на доступном российском оборудовании.
Известен способ оценки горючести моторных топлив в фазах замедленного горения и догорания по развернутой индикаторной диаграмме дизельного двигателя, который заключается в построение характеристик тепловыделения по снятой развернутой индикаторной диаграммы дизельного двигателя в координатах «давление цилиндровых газов - угол поворота коленчатого вала». С помощью построенных характеристик тепловыделения оценивают горючесть в фазах замедленного горения и догорания в дизельном двигателе по скорости тепловыделения и коэффициенту активного тепловыделения [3, С. 58-62, рис. 13].
Недостатком данного способа является оценка горючести моторных топлив в фазах замедленного горения и догорания по построенным характеристикам тепловыделения с помощью развернутой индикаторной диаграммы дизельного двигателя, что сказывается на трудоемкости оценки горючести в фазах замедленного горения и догорания 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 [6 - 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 горючести моторных топлив в фазах замедленного горения и догорания по развернутой индикаторной диаграмме дизельного двигателя. Это приводит к значительной трудоемкости исследований.
Технический результат изобретения - снижение трудоемкости оценки горючести моторных топлив в фазах замедленного горения и догорания с использованием снятой развернутой индикаторной диаграммы дизельного двигателя без снижения требований по достоверности и точности.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки горючести моторных топлив в фазах замедленного горения и догорания по развернутой индикаторной диаграмме дизельного двигателя, включающий фиксацию текущих значений 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», состоящей из фаз задержки воспламенения, быстрого горения, замедленного горения и догорания, и принятие за период задержки воспламенения отрезка времени, в течение которого давление цилиндровых газов имеет отклонение ±4%, 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 максимального давления цикла, которую соединяют линией, перпендикулярной оси угла поворота коленчатого вала, и точку окончания тепловыделения, после чего замеряют площадь, ограниченную индикаторными диаграммами с впрыском топлива и без впрыска топлива и точками максимального давления цикла, пересечения линии, перпендикулярной оси угла поворота коленчатого вала, с индикаторной диаграммой без впрыска топлива и точкой окончания тепловыделения, которую сравнивают с площадью развернутой индикаторной диаграммы, снятой на другом образце топлива в идентичных условиях работы двигателя и по разности этих площадей делают вывод о сравнительном уровне энергоемкости и полноте сгорания испытуемых образцов топлив.
ЗГ
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 максимального давления цикла 3, пересечения линии, перпендикулярной оси угла поворота коленчатого вала, с индикаторной диаграммой без впрыска топлива 6 и точкой окончания тепловыделения 5 (площадь индикаторной диаграммы в фазах замедленного горения и догорания); тч.1 - начало впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя; тч.2 - начало воспламенения топлива (окончание периода задержки самовоспламенения); тч.3 - достижение максимального давления цикла; тч.4 - достижение максимальной температуры цикла; тч.5 - окончание тепловыделения; тч.6 - пересечение 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 горючести в фазах замедленного горения и догорания по развернутой индикаторной диаграмме дизельного двигателя 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 достижения максимального давления цикла (точка 3), момент пересечения линии, перпендикулярной оси угла поворота коленчатого вала, с индикаторной диаграммой без впрыска топлива (точка 6) и момент окончания тепловыделения (точка 5). Замеряют площадь в у.е., ограниченную индикаторными диаграммами с впрыском топлива А и без впрыска топлива Б и точками 3, 6 и 5, принятую за показатель оценки тепловыделения в фазах замедленного горения и догорания дизельного 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.
ЗГ
Определяют разность этих площадей ΔS по формуле
где  - площадь, ограниченная индикаторными диаграммами с впрыском топлива и без впрыска топлива и точками 3, 6 и 5 при работе двигателя на первом образце испытуемого топлива в у.е.;  - площадь, ограниченная индикаторными диаграммами с впрыском топлива и без впрыска топлива и точками 3, 6 и 5 при работе двигателя на втором образце испытуемого топлива в у.е.
По разности этих площадей в фазах замедленного горения и догорания делают вывод о сравнительном уровне энергоемкости и полноте сгорания испытуемых образцов топлив.
Пример. Необходимо сравнить горючесть двух образцов испытуемых топлив по снятым развернутым индикаторным диаграммам дизельного двигателя Д-245.12С: товарное летнее дизельное топливо (ДТ) и товарное зимнее ДТ (таблица 1).
Оценка исследуемых топлив осуществлялась на экспериментальной установке, в состав которой входили автомобильный дизельный двигатель Д-245.12С, динамометрическая машина VSETIN IDS 932N с пультом управления и контрольно-измерительные приборы (измерители нагрузки на тормозе стенда, угла поворота коленчатого вала дизеля, частоты вращения коленчатого вала дизеля, расхода топлива, температуры и давления масла в двигателе и т.п.).
Дизельный двигатель 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 достижения максимального давления цикла тч.3, момент пересечения линии, перпендикулярной оси угла поворота коленчатого вала, с индикаторной диаграммой без впрыска топлива тч.6 и момент окончания тепловыделения тч.5. Замеряют площадь испытуемых образцов в у.е., ограниченную индикаторными диаграммами с впрыском топлива А и без впрыска топлива Б и точками 3, 6 и 5.
-1
Результаты определения площади в фазах замедленного горения и догорания по развернутой индикаторной диаграмме, эффективного КПД и эффективной мощности при частоте вращения коленчатого вала 2400 мин для оценки горючести на испытуемых образцах топлив представлены в таблице 2.
ЗГ
Анализ таблицы 2 показывает, что при работе двигателя на летнем ДТ площадь в фазах замедленного горения и догорания S (0,01325 у.е.) выше на 0,00125 у.е., чем при работе двигателя на зимнем ДТ (0,012 у.е.). Это свидетельствует о большем выделении количества теплоты в процессе сгорания топлива, идущей на совершение полезной работы (индикаторной работы в такте расширения), что сказалось на повышении эффективного КПД и эффективной мощности при работе двигателя на летнем ДТ.
Данные таблицы 2 подтверждают результаты определения оценочных показателей горючести (плотности и низшей теплоты сгорания), приведенные в таблице 1. Плотность и низшая теплота сгорания выше у летнего ДТ, чем у зимнего ДТ, что сказалось на увеличении площади в фазах замедленного горения и догорания.
Таким образом, применение изобретения позволит оценивать горючесть в фазах замедленного горения и догорания по развернутой индикаторной диаграмме дизельного двигателя на испытуемых образцах топлив с меньшими трудозатратами, т.к. исключается построение характеристик тепловыделения.