Значительные резервы улучшения топливной экономичности поршневых двигателей с воспламенением от сжатия скрыты в подогреве поступающего в цилиндры топлива при работе двигателя на режимах малых и средних нагрузок.
Подогрев топлива перед подачей его в цилиндры должен оказать определённое влияние на процессы смесеобразования и сгорания, так как вызовет изменение его физических свойств (вязкости, поверхностного натяжения, сжимаемости, плотности, испаряемости и др.). Целесообразность введения предварительного подогрева топлива вытекает из того, что нагрев жидкого топлива в цилиндре дизеля является необходимым элементом подготовки его к сгоранию. Следовательно, предварительный подогрев топлива исключит лимитирующее влияние этого процесса на развитие смесеобразования и сгорания в двигателе.
Подогрев топлива вызовет уменьшение его плотности. Зависимость этих параметров можно наблюдать из уравнения Д. И. Менделеева:
ρt = ρ0(1 — kt), (1)
где ρt — плотность при t, °C; k — модуль расширения жидкости. Снижение плотности при подогреве топлива до насоса приведёт к уменьшению его весового количества, поданного за цикл при неизменном положении рейки ТНВД. С уменьшением плотности топлива вследствие уменьшения живой силы капель снизится дальнобойность факела [1].
Температура топлива, его вязкость и поверхностное натяжение тесно связаны между собой и оказывают определяющее влияние на качество распыливания.
Зависимость поверхностного натяжения топлива от температуры может быть выражена следующей формулой [2]:
σt = σ0 — k (1 — t0), (2)
где σ — поверхностное натяжение, дн/см; k — постоянная, равная 0,07–0,10.
На рис. 1 показана зависимость вязкости топлива от температуры.
Снижение вязкости топлива с ростом температуры приведёт к увеличению утечек его через зазоры прецизионных пар топливоподающей аппаратуры (к некоторому изменению закона подачи топлива) и к возрастанию неравномерности подачи по цилиндрам, особенно при малых цикловых подачах. Однако в быстроходных дизелях процессы подачи топлива протекают в очень небольшие промежутки времени, и большую часть этого времени прецизионные пары соприкасаются с топливом, находящимся под высоким давлением, что влечёт за собой увеличение вязкости топлива.
Снижение вязкости, а также поверхностного натяжения топлива положительно влияет на качество его распыливания [1]. Объясняется это тем, что происходящее при нагреве расширение топлива приводит к ослаблению сил взаимодействия между его молекулами внутри и в поверхностном слое. Причём чем меньше величина этих сил, тем быстрее будет происходить распад струи и тем мельче будут капли топлива.
Можно предположить, что с уменьшением величины цикловой подачи влияние подогрева топлива на качество его распыливания будет несколько ослабевать вследствие возрастания относительной величины начального и конечного периодов впрыска, когда истечение топлива происходит при сильном дросселирующем воздействии на него неполного открытия иглы форсунки.
Большое влияние на процесс впрыска оказывает сжимаемость топлива. Из рис. 2 видно, что с ростом температуры топлива сжимаемость его непрерывно возрастает. Это отражается на характере подачи топлива при его нагреве. Повышение температуры топлива перед форсункой должно привести к увеличению периода задержки впрыска и его продолжительности.
С ростом температуры топлива испаряемость его возрастает, что должно оказать заметное влияние на процесс смесеобразования. При этом обнаружено, что влияние испаряемости топлива на показатели работы двигателя с вихрекамерным смесеобразованием значительно слабее, чем у двигателей с непосредственным впрыском топлива, так как температуры в вихревой «горячей» камере более высокие, чем в неразделённой. Отсюда можно сделать вывод, что с уменьшением величины цикловой подачи топлива, то есть с уменьшением теплового состояния двигателя, различия в испаряемости топлив будут проявляться в большей степени. По этой же причине эффект от подогрева топлива должен возрастать с уменьшением величины цикловой подачи топлива.
Процесс испарения многокомпонентных жидкостей, к числу которых относятся и жидкие топлива нефтяного происхождения, весьма сложен, так как на него оказывают влияние общее давление среды, характер течения газовой среды у поверхности жидкости и др. Поэтому решение задачи испарения топлива в факеле с учётом всех действующих факторов чрезвычайно сложное.
Для приближенной оценки влияния начальной температуры топлива на испарение его капель, впрыснутых в цилиндр. Можно воспользоваться методикой, основанной на предположении о изотермическом равновесном испарении капли и мгновенном нагреве поверхностного слоя её до температуры равновесного испарения [1].
Для упрощения решения задачи принято допущение об отсутствии относительных скоростей между каплей и воздухом в течении всего периода испарения.
Таким образом, процесс испарения рассматривается как изотермический в условиях молекулярной диффузии и кондукторного теплообмена, когда значения критерия Нуссельта Nu = 2.
Количество испаряющегося топлива:
-d(Vkρt) = βfkρdt, (3)
здесь β — коэффициент испарения, отнесённый к разности парциальных давлений. В условиях молекулярной диффузии β = 2Kp/dk, где Kp — коэффициент диффузии паров в воздухе при температуре испарения и давлении воздушного заряда.
Подставляя выражение для β, объёма Vk и поверхности fk капли в уравнение (2), получим:
где dkτ — диаметр капли через промежуток времени τ от момента впрыска.
Интегрируя выражение (3) с учётом того, что величины Kp, ρ и ρt являются постоянными, получим:
где dk — диаметр капли в начальный момент времени.
Из выражения (5), приравнивая dkτ к нулю, находим время полного испарения капли:
Коэффициент диффузии найдём из выражения:
где tk — температура равновесного испарения капли; Kp0 — коэффициент диффузии, отнесённый к градиенту парциальных давлений (по данным Д. Н. Вырубова [3] для дизельных топлив коэффициент составляет 0,121×10–4 м/ч).
Температура равновесного испарения определяется путём приравнивания величины притока тепла к капле, расходу её на нагрев, испарение и перегрев паров:
α(tв — tк)β(ds — p0)Δi. (8)
Для принятых условий протекания процесса испарения выражение (8) можно представить в следующем виде:
λ(tв — tк) = Kp(ps — p0)Δi, (9)
где λ — коэффициент теплопроводности воздуха; tк — температура поверхности капли; ps — парциальное давление насыщенных паров у поверхности испаряющейся жидкости при температуре; p0 — парциальное давление паров жидкости в окружающей среде (р = 0); Δi — увеличение теплосодержания топлива, Δi = (iп + iпер — i0).
Теплосодержание насыщенных паров при температуре испарения определяется по формуле:
iп = 60 + 0,56tк. (10)
Тепло перегрева паров можно найти из выражения:
где 0,5 — теплоёмкость паров топлива.
Теплосодержание жидкого топлива при температуре впрыска определяется:
i0 = сжtт, (12)
где tт — температура топлива, подаваемого в цилиндр; сж — средняя теплоёмкость дизельного топлива в интервале температур от 0°C до tт.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры с достаточной точностью может быть выражена следующим уравнением:
где А и В — константы, характеризующие свойства испаряющейся жидкости (для дизельного топлива А — 6×107, В — 4,15×103 кг/м². После подстановки в уравнение (6) выражений, его составляющих определим температуру равновесного испарения топлива.
На рис. 3 приведены результаты расчёта времени полного испарения капель топлива t0 в зависимости от начальной температуры tт. Расчёт производился применительно к двум режимам работы дизеля 1Ч 16/18 при полной нагрузке Ne = 100% (линия 1) и частичной Ne = 25% (линия 2). Из рис. 3 видно, что температура топлива оказывает значительное влияние на скорость испарения капель. При этом время полного испарения капли находится в линейной зависимости от начальной температуры топлива.
Из выражения (32) следует, что время полного испарения капли пропорционально квадрату её диаметра, что свидетельствует о большом влиянии на этот процесс качества распыливания топлива.
В используемой методике расчёта не учитывается тот факт, что с ростом температуры топлива будет изменяться и тонкость его распыливания. Поэтому в действительности влияние предварительного подогрева топлива на интенсивность его испарения будет более сильным.
Таким образом, представленные выше результаты расчётно-теоретического исследования влияния температуры топлива на его физические свойства убедительно доказывают наличие до настоящего времени не в полной мере использованного резерва улучшения топливной экономичности дизелей за счёт подогрева поступающего в цилиндры двигателя топлива. Это говорит о необходимости проведения ряда дополнительных теоретических и экспериментальных исследований для установления зависимостей влияния температуры топлива на показатели рабочего цикла двигателя, а также тепловую напряжённость его деталей, что и предопределяет направления дальнейших исследований авторов.
