Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

PECULIAR PROPERTIES OF RADIATIVE HEAT TRANSFER IN THE DIESEL CYLINDER OPERATING ON GAS-ENGINE FUEL

Likhanov V.A. 1 Rossokhin A.V. 1
1 Vyatka State Agricultural Academy
The article considers the issues and peculiarities of heat transfer in a cylinder of high speed diesel 4 ЧН 11,0/12,5 ореrating on diesel and gas-engine fuel (gas-diesel operation). Spectral and integrated radiation characteristics of soot particles in the gas diesel cylinder 4 ЧН 11,0/12,5 have been calculated depending on the crankshaft angle.
diesel
gas diesel
radiative heat transfer
soot particles

Дизели являются безальтернативными энергетическими установками в автомобильном, тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, а их характеристики, в конечном счете, определяют эксплуатационные, энергетические, экономические, экологические и массогабаритные показатели эксплуатируемой техники.

В современных поршневых дизелях, рабочий процесс характеризуется интенсивным протеканием тепловых и газодинамических процессов. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы эти процессы обеспечивали улучшение эффективных показателей дизелей. Точное аналитическое описание совокупности физико-химических процессов, связанных с теплообменом и протекающих в дизелях, не создано вследствие сложности этих явлений и многочисленности факторов, влияющих на них. Более того, увеличивающееся в последнее время количество разработок по применению в дизелях альтернативных топлив (компримированный природный газ, спиртовые топлива, топлива на основе растительных масел и др.) процессы теплообмена вообще серьезно не рассматривают. Поэтому работы, направленные на изучение и совершенствование рабочих процессов в дизелях, в том числе при работе на альтернативных топливах, являются востребованными и далеко не изученными.

Вопросы теплообмена, который применительно к поршневым ДВС носит ярко выраженный локальный характер имеют важнейшее прикладное значение.

Протекающий в камерах сгорания (КС) дизелей процесс теплообмена является радиационно-конвективным или сложным. Поэтому при изучении такого теплообмена необходимо решать уравнения переноса лучистой энергии совместно с уравнениями, описывающими газодинамику и гидродинамику происходящих процессов и конвективного теплообмена.

При рассмотрении радиационного теплообмена в цилиндре дизеля исходят из того, что рабочее тело в цилиндре представляет собой среду, излучающую, поглощающую и рассеивающую тепловую энергию. Более того, рабочее тело является дисперсной средой, поскольку содержит в своем объеме сажевые частицы, которые являются основными генераторами теплового излучения. Как и температура, локальная концентрация сажевых частиц в объеме цилиндра неоднородна. Она зависит от режима работы, угла поворота коленчатого вала и массообмена, т.е. направления и интенсивности конвективных потоков в цилиндре. Соответственно и коэффициент ослабления луча, являющийся одним из важнейших оптических показателей среды, будет меняться, так как его значение зависит от концентрации взвешенных частиц.

Кроме этого, в течение рабочего цикла в цилиндре присутствует многокомпонентная среда, состоящая из газов (воздуха и газообразных продуктов сгорания), паров топлива, капель жидкого топлива и твердых сажевых частиц. Все это необходимо учитывать при определении суммарных тепловых потоков, воспринимаемых стенками КС.

Излучение среды, находящейся в цилиндре дизеля, является сплошным и подобным излучению серого тела, но неравномерным. А присутствие в объеме сажевых частиц многократно повышает интенсивность теплового излучения

На тепловое излучение в цилиндре дизеля влияет, как уже было отмечено, множество факторов. В работе [4] они разбиты на четыре основные группы. Применительно к дизелям они имеют свои особенности.

Во-первых, это геометрические параметры излучающего объема. Поскольку у различных типов дизелей форма и размеры камеры сгорания неодинаковы, отличается и число распыливающих отверстий распылителей форсунок, форма и направление воздушных потоков в КС, тип смесеобразования, то и тепловой поток будет различным.

Во-вторых, радиационные характеристики конденсированной фазы. К ним относятся оптические константы (показатели преломления и поглощения), размеры и распределение по размерам частиц (в первую очередь сажевых), химический состав конденсированной фазы и др.

В-третьих, радиационные характеристики газовой фазы. К ним относятся химическая и тепловая неравновесности в КС, длина волны и спектральный интервал излучения основных компонентов фазы, температура и ее распределение в КС, давление газов, химический состав среды, оптические свойства газовой фазы и еще ряд параметров.

В-четвертых, физические характеристики поверхностей, ограничивающих излучающий объем. Это и температура ограничивающих поверхностей, и отражательные и излучающие способности поверхностей, и граничные условия. Применительно к поршневым ДВС, в первую очередь, рассматриваются поршень и головка цилиндра. В меньшей степени – стенки цилиндра.

Для расчета радиационного теплового потока в КС дизеля необходимо знать температуру излучателя, степень черноты излучающей и поглощающей среды и степень черноты поверхностей КС.

Что касается температуры частиц сажи, то большая часть исследователей сходится во мнении, что температуру частиц и температуру окружающего их газа можно принять одинаковыми. Хотя есть и иное мнение. Так, в одних работах показано, что разница температур частиц сажи и газа не превышает 1 К при размерах частицы до 0,3·10–6 м. В другой работе для частиц размером около 8·10–8 м экспериментально показана одинаковость температур частиц сажи и газа с погрешностью ±60 К [1].

Степень черноты ε относится к важнейшим радиационным характеристикам. Она зависит от природы тела, температуры и шероховатости поверхности. Степень черноты рабочего тела в цилиндре дизеля в течение цикла зависит от нагрузки. В ранее опубликованных работах по этой тематике дизельное пламя рассматривается как серое тело, т.е. излучающее во все диапазоне длин волн λ. При этом основная доля излучаемой тепловой энергии приходится на некоторый диапазон. В разных источниках этот диапазон свой, но в среднем он составляет [0, 5, 10] мкм.

В работе [1] приведена эмпирическая формула для определения степени черноты рабочего тела в зависимости от угла поворота φ коленчатого вала и среднего эффективного давления ре газов в цилиндре:

lihanov01.wmf

где φ – угол поворота коленчатого вала, п.к.в.; ре – среднее эффективное давление газов в цилиндре, МПа.

Однако это выражение применимо только для дизелей, работающих на традиционном дизельном топливе. Насколько оно применимо к топливам с иной химической структурой необходимо проверять дополнительно.

Интересные результаты экспериментального определения локальных температур рабочего тела в цилиндре дизеля 1ЧН 18/20 методом цветовой температуры приведены в работе [2]. Исследование проводилось при значениях ре = 0,5...0,6 МПа и n = 1500 мин–1, фото- и киносъемка проводилась с частотой 4000...5000 кадров в секунду. Экспериментально установлено, что рабочее тело в цилиндре имеет очень неоднородное температурное поле с большим диапазоном температурных градиентов (от 30...70 К/мм внутри одной зоны, до 300…500 К/мм на границах сгоревших и несгоревших зон). Кроме того, оказалось, что при работе на дизельном топливе температуру больше 1700 К имеет приблизительно 28 % массы рабочего тела в цилиндре, больше 2000 К – 27 %, больше 2200 К – 22 %, больше 2400 К – всего около 2 % и больше 2600 К – порядка 0,2 %. Остальная часть рабочего тела (около 20 %) имеет температуру менее 1700 К.

Тем более интересны вопросы, связанные с исследованием локальных и пограничных зон и протекающих в них процессах при работе дизеля с использованием топлив другого химического состава и, что более важно, другого химического строения. Компримированный природный газ обладает целым рядом отличий по своим моторным свойствам от нефтяного дизельного топлива, а применение газодизельного процесса приводит к образованию локальных зон, непосредственно влияющих на процессы сажеобразования и окисления сажевых частиц. Это, в свою очередь, влияет на интенсивность лучистого теплообмена.

Подача запальной порции дизельного топлива приводит к образованию в ядре факелов зон с недостатком окислителя и, соответственно, процессы сажеобразования в этих зонах будут преобладающими. В то же время, при дальнейшем развитии факелов в процессы горения будут вовлекаться новые порции метано-воздушной смеси, в которых будет происходить окисление образующихся сажевых частиц. А, как известно, горение сажевых частиц сопровождается выделением большого количества лучистой энергии.

Нами проведены исследования работы дизеля на компримированном природном газе, подаваемом в цилиндры дизеля вместе с воздушным зарядом с воспламенением от запальной порции дизельного топлива, подаваемого через штатную систему питания (так называемый газодизельный процесс) и рассмотрены оптические свойства и радиационные характеристики пламени в цилиндре дизеля.

Особенность подобных исследований заключается в наличии большого количества компонентов в продуктах сгорания другом отношении «углерод-водород» в молекуле топлива, их гетерогенности, то есть наличии газовой и твердой фазы, что, безусловно, сказывается на излучательной и поглощательной способности среды, степени черноты пламени и других характеристиках излучения.

В расчетах нами использовались комплексные программы моделирования оптических свойств, радиационных характеристик и теплового излучения ГПС «SPEKTR» и CARBON, разработаны на кафедре физики ВятГУ.

Комплексная программа SPEKTR, разработанная на языке FORTRAN, предназначена для расчета радиационных характеристик (РХ) и характеристик излучения (ХИ) гетерогенных продуктов сгорания (ГПС) ДВС. Она позволяет производить расчеты для реальных компонентов газовой и конденсированной фазы ГПС с любым распределением частиц конденсата в широком интервале термо- и газодинамических параметров. Программа CARBON рассчитывает РХ продуктов сгорания ДВС.

pic_1.tif

Рис. 1. Спектральные и интегральные радиационные характеристики частиц сажи в цилиндре газодизеля 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от угла п.к.в.

Исходными данными для расчетов являются: размеры и геометрия излучающего объема, радиационные характеристики поверхностей, температуры газа и частиц, давление, массовая доля конденсата, молярная масса, плотность частиц, функция распределения частиц по размерам, оптические свойства, концентрация основных компонентов газовой фазы. Результатами расчета являются РХ индивидуальных частиц и единичного объема, коэффициенты разложения индикатрисы в ряд по полиномам Лежандра, спектральные и интегральные плотности потоков, спектральные и интегральные степени черноты.

pic_2.tif

Рис. 2. Спектральные и интегральные радиационные характеристики частиц сажи в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от угла п.к.в.

Согласно данным этой же работы, температура в ядре факела, составляет 900...1000 К, при том, что температура газа в объеме КС составляет от 1200 до 1800 К в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Для КС дизелей при расчете лучистого теплообмена приходится учитывать ряд специфических особенностей, связанных как с нестационарностью процесса, так и с геометрией КС и факела в ней. В зависимости от степени завихрения потока воздуха в камере и формы факела топлива формируется поле концентрации сажевых частиц. Наличие конечной продолжительности впрыскивания топлива, полидисперсный состав капель топлива в факеле, неопределенность координат очагов самовоспламенения, турбулизация внутрицилиндрового объема в результате движения поршня и процесса горения, постоянно изменяющийся его объем, постоянно изменяющаяся концентрация сажевых частиц и их дисперсионный состав практически исключают возможность непосредственного расчета мгновенных местных концентраций и дисперсионного состава сажевых частиц, что необходимо для расчета лучистого теплообмена.