Тема: «Определение угла опережения подачи топлива»

13.1.Задачи исследования

Своевременность сгорания топлива обуславливается углом опережения подачи топлива. От его величины зависят продолжительность периода задержки самовоспламенения, скорость нарастания давления и расположение линии сгорания относительно в.м.т. При смещении сгорания топлива на начало процесса расширения уменьшается давление в конце горения, повышается температура отходящих газов и возрастают потери теплоты, что приводит к увеличению удельного расхода топлива. Кроме того, будут происходить перегрев поршня и повышение температурных напряжений цилиндра. Давление в конце горения P_z по отдельным цилиндрам не должно отклоняться от значений, указанных в формуляре дизеля, более чем на ± 5 %. Для повышения P_z угол опережения подачи топлива увеличивают, для снижения — уменьшают. Величина угла опережения подачи топлива указана в формуляре двигателя.

При определении угла опережения подачи топлива односекционным топливным насосом выполняют следующие действия:

1. Отсоединяют топливную трубку от насоса.

2. Устанавливают на штуцер топливного насоса моментоскоп.

3. Ставят рейку топливного насоса на полную подачу топлива.

4. Прокачивают топливный насос вручную до полного удаления воздуха из трубопровода насоса и моментоскопа.

5. Сжимая резиновую трубку, выдавливают из стеклянной трубки топливо до половины её длины.

6. Медленно проворачивают коленчатый вал дизеля до начала движения мениска топлива в стеклянной трубке; этот момент будет соответствовать началу подачи топлива.

7. Измеряют угол, на который кривошип проверяемого цилиндра не дошёл до в.м.т. Если маховик не разбит на градусы, измеряют длину дуги маховика от метки в.м.т. данного цилиндра до неподвижной стрелки-указателя на блоке, а затем подсчитывают угол по формуле

α = 360·l/L

, где 1 — длина дуги от метки в.м.т. до стрелки-указателя, мм; L — длина окружности маховика, мм.

При отсутствии моментоскопа угол опережения подачи топлива можно проверить следующим образом:

1. Отсоединяют топливную трубку от насоса

2. Вынимают из насоса нагнетательный клапан с пружиной, устанавливают на место штуцер или крышку насоса.

3. Подают топливо из расходной цистерны к насосу.

4. Спускают воздух из топливного трубопровода и насоса, после чего прикрывают отверстие в штуцере пальцем.

5. Медленно проворачивают коленчатый вал дизеля до прекращения вытекания топлива через штуцер.

6. Измеряют угол, на который кривошип проверяемого цилиндра не дошёл до в.м.т.

Для большей точности рекомендуется определять угол подачи топлива два раза. Если измеряемый угол опережения подачи топлива отличается больше чем на 1-1,5 % от указанного в формуляре дизеля, его регулируют поворотом шайбы топливного насоса на распределительном валу. При этом выполняют следующие действия:

1. Отмечают рисками положение кулачковой шайбы относительно фланца втулки

2. Отвёртывают стяжные болты или гайку крепления и выводят кулачковую шайбу из зацепления с зубцами втулки.

3. Поворачивают шайбу на нужную величину и вводят в зацепление с зубцами втулки. Для увеличения угла опережения кулачковая шайба смещается по направлению вращения распределительного вала, а для уменьшения — против направления его вращения. Изменение положения кулачковой шайбы на 2 мм (один зубец) вызывает изменение угла опережения подачи топлива на 3 - 5 ° и максимального давления цикла на 0,4 - 0,6 Мпа (4 - 6 кгс/см2).

13.2.Методика исследования.

Несмотря на значительные упрощения, компьютерная программа является сложным "инструментом" для инженерных расчетов, поэтому пользователь должен иметь подготовку в области теории ДВС, ознакомиться с базисными знаниями в соответствующей области. Компьютерная программа в части расчета рабочих процессов в цилиндре дизеля прошла многолетнюю апробацию в научно-исследовательских работах ГМА им. адм. С.О.Макарова, учебной работе всех уровней, включая курсы повышения квалификации старших механиков морских судов. В представленном в настоящей работе виде она дополнена алгоритмом расчета выбросов окислов азота и рядом других дополнений, расширяющих возможности учета влияния на процессы различных эксплуатационных факторов.

В виду сложности и многообразия задач и реальных ситуаций, которые могут возникнуть в практике работ по освидетельствованию дизелей, реальная сфера применения компьютерной программы будет определяться самим пользователем.

Возможности компьютерной программы не ограничиваются расчетом эмиссии окислов азота, они значительно шире, так как программа дает возможность рассчитать все основные параметры индикаторного процесса дизеля.

Точный расчет эмиссии окислов азота с отработавшими газами дизелей в инженерной практике трудно реализуем из-за чрезвычайной сложности физико-химических процессов в камере сгорания. В связи с этим, при разработке компьютерной программы в соответствии с техническим заданием по НИР, в основу была положена эмпирическая формула, полученная путем обработки экспериментальных данных фирмой "Вяртсиля".

Решение этого дифференциального уравнения возможно только численным приближенным методом. Так как в формулу входят текущие значения давления и температуры, то решить (проинтегрировать численным методом) дифференциальное уравнение для получения величины удельного выброса можно при наличии функциональных зависимостей р и Т от угла поворота коленчатого вала. Численное интегрирование требует достаточно мелкого шага по углу (на участке сгорания - не более 2 град, п.к.в.), поэтому расчет удельного выброса с помощью табличных значений параметров в цилиндре на участке сгорания, снятых с экспериментальных кривых, потребовал бы ввода больших массивов цифр, не считая необходимости иметь в наличии сами осциллограммы давления газов в цилиндре дизеля.

Альтернативным вариантом решения задачи является включение дифференциального уравнения в общую программу расчета индикаторного процесса дизеля. Инженерная методика

расчета индикаторной диаграммы дизеля, адаптированная к решению задач эксплуатационного характера применительно к судовым малооборотным и среднеоборотным дизелям, была разработана в ГМА на кафедре судовых ДВС в 90-х годах и прошла апробирование в учебном процессе и научных работах. Методика изложена в работе [2]; учитывая достаточно сложный алгоритм и большой объем работы, ограничимся лишь изложением основных ее положений.

Рабочий процесс в одном цилиндре дизеля рассчитывается на участке от начала сжатия до начала выпуска отработавших газов из цилиндра. Моменты начала сжатия и выпуска определяются по реальным фазам открытия /закрытия клапанов (окон). В основу расчетов положена система дифференциальных уравнений, описывающая индикаторный процесс, которая включает в себя:

- уравнение первого закона термодинамики (закон сохранения энергии), решенное относительно первой производной температуры рабочего тела в цилиндре по углу поворота коленчатого вала;

- уравнение состояния рабочего тела, решенное относительно давления в цилиндре в зависимости от температуры, объема цилиндра, массы и газовой постоянной смеси газов в цилиндре;

- уравнений массового баланса для трех компонентов смеси газов в цилиндре: 1-чистый воздух; 2-чистые продукты сгорания топлива (при отсутствии избытка воздуха-стехиометрическом соотношении топливо/воздух); 3- водяной пар.

- уравнений, описывающих смесеобразование и сгорание топлива в цилиндре; - уравнения, описывающего теплообмен со стенками цилиндра.

Численное решение системы дифференциальных уравнений осуществляется методом Эйлера-Коши с итерационным процессом. Критерием сходимости на каждом шаге счета принята температура газов в цилиндре-1 К. Текущие значения термодинамических параметров - истинной удельной изохорной теплоемкости и газовой постоянной -рассчитываются для смеси чистого воздуха, "чистых" продуктов сгорания и водяного пара с учетом их текущих массовых долей в смеси. Кроме того, теплоемкость, газовая постоянная продуктов сгорания и теоретическая масса воздуха для сгорания 1 кг топлива определяются с учетом элементарного состава топлива. Низшая теплота сгорания топлива рассчитывается по эмпирической формуле в зависимости от его плотности, вязкости, содержания серы, воды, золы и механических примесей.

Указанные выше дополнения в математическую модель индикаторного процесса дизеля позволяют учитывать влияние влажности атмосферного воздуха и сорта топлива на показатели работы дизеля и величину удельного выброса окислов азота. Предусмотрена также возможность оценить влияние впрыска воды в цилиндр или подачи водотопливной эмульсии форсункой на эмиссию окислов азота.

Расчет процесса сгорания топлива осуществляется с учетом реального закона подачи в цилиндр по методике, которая подробно описана в работе [2]. Предусмотрена возможность задания любого закона подачи - однофазного, двухфазного и др. Продолжительность периода задержки самовоспламенения рассчитывается по эмпирической формуле в зависимости от давления и температуры газов в цилиндре в момент начала подачи топлива в цилиндр, частоты вращения коленчатого вала и цетанового числа топлива. При расчете рабочего процесса на тяжелом топливе продолжительность периода задержки самовоспламенения и скорость сгорания топлива корректируются по величине расчетного углеродно-ароматического индекса (CCAI). Этот показатель определяется по эмпирической формуле, предложенной фирмой "Шелл", с учетом перечисленных выше характеристик тяжелого топлива.

Теплообмен между газами и стенками цилиндра рассчитывается по формуле конвективного теплообмена с учетом текущих параметров и поверхности теплообмена,коэффициент теплоотдачи от газов к стенке рассчитывается по эмпирической формуле Эйхельберга.

Точность расчета показателей индикаторного процесса и eNOx в значительной мере определяется правильностью выбора эмпирических коэффициентов в уравнениях сгорания, теплообмена и эмиссии окислов азота (всего этих коэффициентов 6).

Решение системы дифференциальных уравнений осуществляется с постоянным шагом 1 градус поворота коленчатого вала от начала сжатия (точка а) до момента открытия выпускных органов (точка Ь). Итогом расчета являются значения среднемассовой температуры газов в цилиндре и давления на участках сжатия, сгорания и расширения. Дополнительная полезная работа на нерассчитывемом участке газообмена оценивается приближенно с учетом тактности дизеля. Расчет скорости образования окислов азота и ее интегрирование осуществляется от момента самовоспламенения топлива до окончания его сгорания.

Математическая модель индикаторного процесса построена на строгих уравнениях сохранения энергии и массы, поэтому, в принципе, применима для расчета любого ДВС. Однако отсутствие достаточно простых теоретических методов расчета смесеобразования и сгорания топлива, теплообмена в цилиндре и образования окислов азота, пригодных для инженерных расчетов, обусловило применение для этих целей эмпирических и полуэмпирических зависимостей, которые применимы для ограниченного класса двигателей.

Настоящая математическая модель и составленная на ее основе программа расчета рабочего процесса в цилиндре дизеля может применяться для дизелей:- с обычным кривошипно-шатунным механизмом- с неразделенной камерой сгорания, непосредственным впрыском жидкого нефтяного топлива и объемным способом смесеобразования- с частотой вращения коленчатого вала не более 1000 об/мин- при расчете процессов на различных нагрузочно-скоростных режимах достоверные результаты могут быть получены в диапазонах: по частоте -(50-100% от номинальной); по нагрузке- (25-120% от номинальной)

Применение методики для двигателей иного класса требует корректировки математической модели, поэтому в этом случае следует обратиться за консультацией к разработчику.

13.3.Результаты исследования.

Параметры	Исследуемые режимы
Обознач.	-5	-10	-15	-20	-25
Давление конца сжатия, бар	Рсотр	84,51	83,66	77,81	72,42	64,12
Температура конца сжатия, К	Тсотр	860,8		845,6	830,9	806,1
Максимальное давление сгорания, бар	Ртах	109,4	125,7	142,1	157,6	171,6
Максимальная температура цикла, К	Ттах
Давление в конце расширения, бар	РЬ	9,557	9,372	9,221	9,103	9,027
Температура в конце расширения, К	ТЬ
Степень повышения давления	lam	1,295	1,503	1,826	2,176	2,676
Средняя скорость нарастания давления, бар/град	dP/dFi	1,66	2,628	3,573	4,733	5,375
Угол достижения Ртах, град.	Tpmax
Угол начала видимого сгорания, град.	Tigni
Период задержки самовоспламенения, град	Lind
Коэффициент избытка воздуха	AL	2,106	2,106	2,106	2,106	2,106
Среднее индикаторное давление, бар	MIP	18,91	19,37	19,65	19,75	19,65
Индикаторная цилиндровая мощность, кВт	PWI	523,9	536,5	544,3	547,2	544,4
Удельный индикаторный расход топлива, г/кВт. ч	Gi	182,3		175,5	174,5	175,4
Индикаторный КПД, %	Eff.	45,66	46,76	47,44	47,69	47,45
Доля тепла, потерянная в охл. среду, %	XW	11,31	11,73	12,32	13,04	14,01
Доля тепла, потерянная с уходящими газами, %	Qe	43,03	41,51	40,25	39,27	38,54
Удельный выброс окислов азота, г/кВт. ч	eNOx	11,28	13,93	17,6	22,55	29,3
Расчетный углеродно-ароматический индекс	CCAI
Масса воздуха, необх.для сгорания 1 кг топлива, кг	LO	14,45	14,45	14,45	14,45	14,45
Низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг	QH
Влагосодержанеие атмосферного воздуха	WCA	0,00367	0,00367	0,00367	0,00367	0,00367

По полученным данным строим графики зависимостей P_z(φ), T_max(φ), N_i(φ), P_i(φ).

Механическая напряженность

График зависимости максимального давления сгорания от угла опережения топлива

Тепловая напряженность

График зависимости максимальной температуры цикла от угла опережения топлива

P_i=f(φ)

Зависимость среднего индикаторного давления от угла опережения топлива

N_i=f(φ)

Зависимость индикаторной цилиндровой мощности от угла опережения топлива

13.4.Выводы.

В данной работе мною была частично исследована работа двигателя марки 16V32/35 при изменяемом угле опережения подачи топлива. Угол менял от -5 до -25 с шагом 5 градусов, включая номинальное значение -10 градусов. При увеличении угла опережения подачи топлива, меняются и другие показатели, а именно: увеличивается средняя скорость нарастания давления, которая является следствием ударных нагрузок, также повышается температура отходящих газов, и происходит перегрев поршня и повышение температурных напряжений цилиндра. Ещё одним существенным показателем неправильно выбранного угла является возрастающие потери теплоты, что приводит к увеличению удельного расхода топлива.

Список использованной литературы.

1. Березний В.В. Методические указания к выполнению курсового проекта. : “Проектирование энергетических установок промысловых судов”, Мурманск, 1999г.

2. Артемов Г.А.,”Системы судовых энергетических установок”-Л.:Судостроение,1980г.

3. Голубев Н.В. Проектирование энергетических установок морских судов- Л.:Судостроение,1990г.

4. Коршунов Л.П. Энергетические установки морских судов: Учебник- Л.: Судостроение, 1991г.

5. Ваншейдт В.А. Судовые установки с двигателями внутреннего сгорания- Л. Судостроение, 1980г.

6. Олейников Б.И. Техническая эксплуатация дизелей судов ФРП.- М.: Агропромиздат, 1998г.