Оценка показателей процесса сгорания и тепловыделения в дизеле с предварительным подогревом топлива

Сергей Александрович Плотников; Анатолий Николаевич Карташевич; Марина Владимировна Мотовилова

Сергей Александрович Плотников ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет» https://orcid.org/0000-0002-8887-4591
Анатолий Николаевич Карташевич ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет» https://orcid.org/0000-0002-3649-1521
Марина Владимировна Мотовилова ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет» https://orcid.org/0000-0002-6857-3126

Ключевые слова: индикаторная диаграмма, тепловыделение, подогрев топлива, процесс сгорания, дизельный двигатель

Аннотация

Введение. В связи с расширением парка тракторов и автомобилей к двигателям внутреннего сгорания предъявляются повышенные требования. Данная проблема может быть решена путем улучшения рабочего процесса в дизельном двигателе. Этого можно достичь при помощи термического воздействия на дизельное топливо в системе топливоподачи. Внешнее термическое воздействие осуществляется на линии высокого давления непосредственно перед форсунками.
Материалы и методы. Для анализа и расчета процесса сгорания и тепловыделения дизельного двигателя с предварительной термической подготовкой топлива проведены стендовые испытания с использованием программного обеспечения National Instruments и необходимого оборудования.
Результаты исследования. Получены экспериментальные данные процесса сгорания дизельного топлива в цилиндре двигателя 4ЧН 11,0/12,5. Проведен анализ процесса сгорания и тепловыделения дизеля с предварительным высокотемпературным воздействием на топливо. Построены индикаторные диаграммы, графики тепловыделения, максимальной осредненной температуры газов в цилиндре двигателя, активного и полного тепловыделения. Экспериментальные данные показали снижение периода задержки воспламенения, максимальной температуры цикла в цилиндрах двигателя, ускорение начала тепловыделения и процесса сгорания. Получены значения показателей процесса сгорания дизельного топлива.
Обсуждение и заключение. На основе проведенных исследований выявлены зависимости показателей процесса сгорания топлива дизельного двигателя с подогревом до высоких температур. Индикаторные диаграммы позволяют сделать вывод о влиянии температуры подогрева топлива на интенсификацию процесса сгорания. Наблюдается ускорение начала тепловыделения, уменьшение скорости нарастания давления, снижение жесткости работы двигателя.

Биографии авторов

Сергей Александрович Плотников, ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет»

профессор кафедры технологии машиностроения ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет» (610000, Российская Федерация, г. Киров, ул. Московская, д. 36), доктор технических наук, Researcher ID: R-8491-2016, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8887-4591, plotnikovsa@bk.ru

Анатолий Николаевич Карташевич, ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет»

научный сотрудник кафедры технологии машиностроения ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет» (610000, Российская Федерация, г. Киров, ул. Московская, д. 36), доктор технических наук, профессор, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3649-1521

Марина Владимировна Мотовилова, ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет»

аспирант кафедры технологии машиностроения ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет» (610000, Российская Федерация, г. Киров, ул. Московская, д. 36), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6857-3126

Литература

1. Rezaei, J. Phase Change in Fuel Sprays at Diesel Engine Ambient Conditions: Impact of Fuel Physical Properties / J. Rezaei, S. Riess, M. Wensing. – DOI 10.1016/j.supflu.2020.105130. – Текст : электронный // Journal of Supercritical Fluids. – 2021. – Vol. 170.

2. Кавтарадзе, З. Р. Анализ механизмов образования и методов расчета концентрации оксидов азота в поршневых двигателях (часть 1) / З. Р. Кавтарадзе, Р. З. Кавтарадзе // Транспорт на альтернативном топливе. – 2011. – № 5 (23). – С. 65–70. – URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=17031174 (дата обращения: 26.03.2021). – Рез. англ.

3. Wu, H.-W. Investigation on Combustion Characteristics and Emissions of Diesel/Hydrogen Mixtures by Using Energy-Share Method in a Diesel Engine / H.-W. Wu, Z.-Y. Wu. – DOI 10.1016/j.applthermaleng. 2012.03.004 // Applied Thermal Engineering. – 2012. – Vol. 42. – Pp. 154–162.

4. Szwaja, S. Hydrogen Combustion in a Compression Ignition Diesel Engine / S. Szwaja, K. GrabRogalinski. – DOI 10.1016/j.ijhydene.2009.03.020 // International Journal of Hydrogen Energy. – 2009. – Vol. 34, Issue 10. – Pp. 4413–4421.

5. Combustion, Vibration and Noise Analysis of Hydrogen-Diesel Dual Fuelled Engine / S. Nag, P. Sharma, A. Gupta, A. Dhar // Fuel. – 2019. – Vol. 241. – Pp. 488–494. – URL: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=NART95330387&dbt=NART (дата обращения: 26.03.2021).

6. Sahoo, R. R. Experimental Analysis of Nanofuel Additives with Magnetic Fuel Conditioning for Diesel Engine Performance and Emissions / R. R. Sahoo, A. Jain. – DOI 10.1016/j.fuel.2018.09.027 // Fuel. – 2019. – Vol. 236. – Pp. 365–372.

7. Богуслаев, В. А. Влияние разрядно-индуцированных компонент на процесс горения капель углеводородного топлива / В. А. Богуслаев, Д. А. Долматов // Вестник двигателестроения. – 2013. – № 1. – С. 41–45. – URL: https://clck.ru/WEAiR (дата обращения: 26.03.2021). – Рез. англ.

8. Premixed Low-Temperature Combustion of Blends of Diesel and Gasoline in a High Speed Compression Ignition Engine / D. Han, A. M. Ickes, S. V. Bohac [et al.]. – DOI 10.1016/j.proci.2010.07.045 // Proceedings of the Combustion Institute. – 2011. – Vol. 33, Issue 2. – Pp. 3039–3046.

9. Effect of Two-Stage Injection on Combustion and Emissions under High EGR Rate on a Diesel Engine by Fueling Blends of Diesel/Gasoline, Diesel/N-Butanol, Diesel/Gasoline/N-Butanol and Pure Diesel / Z. Zheng, L. Yue, H. Liu [et al.]. – DOI 10.1016/j.enconman.2014.11.011 // Energy Conversion and Management. – 2015. – Vol. 90. – Pp. 1–11.

10. Effects of Gasoline Research Octane Number on Premixed Low-Temperature Combustion of Wide Distillation Fuel by Gasoline/Diesel Blend / H. Liu, Z. Wang, J. Wang, X. He. – DOI 10.1016/j. fuel.2014.06.019 // Fuel. – 2014. – Vol. 134. – Pp. 381–388.

11. Dhahad, H. A. The Impact of Adding Nano-Al2O3 and Nano-Zno to Iraqi Diesel Fuel in Terms of Compression Ignition Engines’ Performance and Emitted Pollutants / H. A. Dhahad, M. T. Chaichan. – DOI 10.1016/j.tsep.2020.100535. – Текст : электронный // Thermal Science and Engineering Progress. – 2020. – Vol. 18.

12. Venu, H. Effect of Al2O3 Nanoparticles in Biodiesel-Diesel-Ethanol Blends at Various Injection Strategies: Performance, Combustion and Emission Characteristics / H. Venu, V. Madhavan. – DOI 10.1016/j.fuel.2016.08.046 // Fuel. – 2016. – Vol. 186. – Pp. 176–189.

13. Keskin, A. Influence of Metallic Based Fuel Additives on Performance and Exhaust Emissions of Diesel Engine / A. Keskin, M. Gürü, D. Altiparmak. – DOI 10.1016/j.enconman.2010.06.039 // Energy Conversion and Management. – 2011. – Vol. 52, Issue 1. – Pp. 60–65.

14. Lenin, M. A. Performance and Emission Characteristics of a DI Diesel Engine with a Nanofuel Additive / M. A. Lenin, M. R. Swaminathan, G. Kumaresan. – DOI 10.1016/j.fuel.2013.03.042 // Fuel. – 2013. – Vol. 109. – Pp. 362–365.

15. Emission and Vibration Analysis of Diesel Engine Fuelled Diesel Fuel Containing Metallic Based Nanoparticles / A. Yasar, A. Keskin, S. Yildizhan, E. Uludamarc. – DOI 10.1016/j.fuel.2018.11.113 // Fuel. – 2019. – Vol. 239. – Pp. 1224–1230.

16. Preferential Cavitation and Friction-Induced Heating of Multi-Component Diesel Fuel Surrogates Up to 450MPa / A. Vidal, K. Kolovos, M. R. Gold [et al.]. – DOI 10.1016/j.ijheatmasstransfer. 2020.120744. – Текст : электронный // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2021. – Vol. 166.

17. Specific Features of Diesel Fuel Supply under Ultra-High Pressure / J. Zhao, L. Grekhov, X. Ma, A. Denisov. – DOI 10.1016/j.applthermaleng.2020.115699. – Текст : электронный // Applied Thermal Engineering. – 2020. – Vol. 179.

18. Плотников, С. А. Исследование показателей работы дизеля с термофорсированием / С. А. Плотников, Ш. В. Бузиков, В. Ф. Атаманюк // Вестник Марийского государственного университета. – 2015. – № 2 (2). – С. 39–44. – URL: https://www.agriscience.ru/journal/2411-9687/2015/2%20(2)/39-44 (дата обращения: 26.03.2021). – Рез. англ.

19. Плотников, С. А. Анализ процесса сгорания и тепловыделения тракторного дизеля с термической подготовкой топлива / С. А. Плотников, Ш. В. Бузиков, А. Л. Бирюков // Молочнохозяйственный вестник. – 2017. – № 3 (27). – С. 114–124. – URL: https://clck.ru/WEBbD (дата обращения: 26.03.2021). – Рез. англ.

20. Бузиков, Ш. В. Влияние начальной температуры топлива на характеристики топливоподачи и период задержки воспламенения в дизеле / Ш. В. Бузиков // Концепт. – 2014. – № 10. – С. 6–10. – URL: https://e-koncept.ru/2014/14617.htm (дата обращения: 26.03.2021). – Рез. англ.

21. Храмов, М. Ю. Улучшение характеристик двигателя путем термофорсирования топлива / М. Ю. Храмов, М. Х. Садеков // Вестник АГТУ. – 2007. – № 6 (41). – С. 84–86. – URL: https://clck.ru/WECFN (дата обращения: 26.03.2021).

22. Балабин, В. Н. Особенности применения термофорсирования топлива на локомотивных дизелях / В. Н. Балабин, В. Н. Васильев // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 4. – С. 107–113. – URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35025 (дата обращения: 26.03.2021).

23. Плотников, С. А. Расчет характеристик впрыскивания при работе дизеля на активированном топливе / С. А. Плотников, П. Я. Кантор, М. В. Мотовилова // Двигателестроение. – 2020. – № 2. – С. 19–23. – URL: http://rdiesel.ru/DVIGATELESTROYENIYE/YEAR/2020/r2-2020.html (дата обращения: 26.03.2021).

24. Лазарев, Е. А. Физические концепции и математические модели процесса сгорания топлива в дизеле / Е. А. Лазарев // Вестник ЮУрГУ. – 2010. – № 10. – С. 32–39. – URL: https://dspace.susu.ru/xmlui/bitstream/handle/0001.74/1072/4.pdf?sequence=1&isAllowed=y (дата обращения: 26.03.2021). – Рез. англ.

25. Чернецов, Д. А. Анализ процесса образования токсичных компонентов в камере сгорания дизельных двигателей / Д. А. Чернецов, В. П. Капустин // Вопросы современной науки и практики. – 2011. – № 1 (32). – С. 54–58. – URL: http://masters.donntu.org/2012/feht/nikolaenko/library/ article5.pdf (дата обращения: 26.03.2021). – Рез. англ.