ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ТЕМА 13. ПРОЦЕССЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЯХ.
advertisement
В.В. ПЕРМЯКОВ ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ТЕМА 13. ПРОЦЕССЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЯХ. 13.1 Смесеобразование В дизелях смесеобразование происходит внутри цилиндра и включает в себя распыливание топлива, развитие топливного факела, прогрев, испарение, перегрев топливных паров и смешение их с воздухом. Совершенство смесеобразования зависит от характеристик впрыскивания и распыливания, скорости движения заряда в камере сгорания, свойств топлива и заряда, формы, размеров и температуры поверхностей камеры сгорания, взаимного направления движения топливных струй и заряда. Степень влияния отдельных факторов зависит от типа камеры сгорания. • Объемное смесеобразование. Если топливо распыливается в объеме камеры сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой, то смесеобразование называют объемным. Оно осуществляется в однополостных (неразделенных) камерах сгорания, имеющих малую глубину и большой диаметр, характеризуемый безразмерной величиной — отношением диаметра камеры сгорания к диаметру цилиндра: = 0,75…0,85. Такая камера сгорания располагается обычно в поршне, причем оси форсунки, камеры сгорания и цилиндра совпадают (рис. 13.1, е). При объемном смесеобразовании прогрев и испарение топлива происходят в основном за счет энтальпии части заряда, охваченной струями топлива. Рис. 13.1. Камеры сгорания в поршне: а – полусферическая типа дизелей ВТЗ; б – типа четырехтактных дизе-лей ЯМЗ и АМЗ; в – типа ЦНИДИ; г – типа дизелей "МАН"; д – типа "Дойтц"; е – типа "Госсельман"; ж – типа дизелей "Даймлер-Бенц"; надпоршневой зазор Угол рассеивания топливных струй обычно не превышает 20°. Для обеспечения полного охвата струями всего объема камеры сгорания и использования воздуха число распыливающих отверстий форсунки теоретически должно быть 360/20 =18. Но при большом количестве распыливающих отверстий их диаметр должен быть небольшим, что вызывает сложность их изготовления и эксплуатации. Поэтому целесообразно применение меньшего количества отверстий. Для полного сгорания топлива воздух приводится во вращательное движение тем более интенсивно, чем меньше количество распыливающих отверстий. Достигают этого применением винтового или тангенциального впускного каналов, а также экранированием впускного клапана или его седла (рис. 13.2, а...г). Тот же эффект в случае двухтактных дизелей достигается тангенциальным направлением осей продувочных окон (рис. 13.2, д). Рис. 13.2. Схемы, иллюстрирующие методы создания в процессе впуска вращательного движения заряда в цилиндре: а – тангенциальный впускной канал и эпюра изменения тангенциальной скорости движения заряда вдоль диаметра цилиндра; б – винтовой канал; в – клапан с экраном; г – экран на едле клапана; д – тангенциальные продувочные окна и эпюра изменения тангенциаль-ной составляющей скорости движения заряда вдоль диаметра двух-тактного дизеля После начала горения движение заряда способствует сносу продуктов сгорания с поверхности крупных капель и обеспечивает подвод к ним окислителя. При объемном смесеобразовании, очевидно, должен существовать оптимум направленной скорости движения заряда. При чрезмерном ее значении мелкие капли, пары топлива и продукты сгорания из объема одной струи могут движением заряда переноситься в объем соседней струи, приводя к ухудшению смесеобразования. Чрезмерно интенсивный вихрь может также быть причиной недостаточного проникновения капель топлива в объем заряда. Эти явления называют перезавихриванием. Для интенсивного тепловыделения капли топлива должны проникнуть на периферию камеры сгорания, где сосредоточена наибольшая часть воздуха. Давленем впрыскивания до 150...200 МПа, которое можно получить применением насосов — форсунок. При разделенных системах топливоподачи предельно достижимые и допустимые значения давления впрыскивания обычно не превышают 80...100 МПа. Ограничения здесь обусловлены усилиями, действующими на детали топливной аппаратуры, и искажающим влиянием объемов топлива в системе на характеристику впрыскивания, а также появлением крайне нежелательных подвпрыскиваний топлива, связанных с колебательными процессами в топливопроводах высокого давления. Эти недостатки устраняются в современных двигателях применением системы Common Rail, где давление поднимают до 180 МПа и выше. • Комбинация объемного и пристеночного смесеобразования. Такое смесеобразование получается при меньших диаметрах камеры сгорания, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое и частично соприкасается со стенкой камеры сгорания. Другая часть капель топлива располагается в пограничном слое заряда. Попадание топлива в пристеночный слой существенно изменяет скорость смесеобразования до начала сгорания из-за низких температур и малой турбулентности заряда в этой зоне, уменьшения скорости испарения топлива и смешения его паров с воздухом. В результате снижается и скорость тепловыделения в начале сгорания. После появления пламени скорости испарения и смешения резко возрастают. Поэтому подача части топлива в пристеночную зону не затягивает завершения сгорания, если температура стенки в местах попадания на нее струй находится в пределах 200... 300 °С. При dк.с/D = 0,5...0,6 (см рис. 13.1, а, б, ж) в связи со значительным ускорением вращения заряда при перетекании его в камеру сгорания удается использовать 3...5 распыливающих отверстий достаточно большого диаметра. При этом появляется возможность смещения оси камеры сгорания и распылителя от оси цилиндра, увеличения размера впускного клапана, обеспечения высокого наполнения при одном впускном клапане, а также возможно расположение форсунок наклонно и выносить их из-под крышки головки цилиндра. При этом облегчаются установка и снятие форсунки в процессе эксплуатации В рассматриваемых камерах приобретают значения радиальные составляющие скорости перетекания заряда из объема над вытеснителем в камеру сгорания, преобразующиеся в осевые, т. е. направленные вдоль оси цилиндра. Перетекающий заряд захватывает пары, мелкие капли, продукты сгорания и переносит их в глубь камеры сгорания. На такте расширения во время обратного перетекания заряда из камеры часть несгоревшего топлива переносится в пространство над вытеснителем, где имеется еще не использованный для сгорания воздух. Последний, однако, не полностью участвует в процессе окисления. Поэтому стремятся уменьшить до минимума объем заряда, находящегося в пространстве между поршнем (при положении в ВМТ) и головкой цилиндра, доводя высоту его (см. рис. 13.1, а) до 0,9...1 мм. При этом важной оказывается стабилизация зазора при изготовлении и ремонте дизеля. Положительные результаты обеспечивает также минимизация зазора между головкой поршня и гильзой и уменьшение расстояния от днища поршня до первого компрессионного кольца. • Пристеночное смесеобразование. В ряде конструкций камер сгорания почти все топливо направляется в пристеночную зону, т.е. имеет место пристеночное смесеобразование. При таком смесеобразовании камера сгорания может быть расположена соосно с цилиндром, а форсунка смещена к ее периферии. Одна или две струи топлива направляются либо под острым углом на стенку камеры сгорания, имеющей сферическую форму (см. рис. 13.1, г), либо вблизи и вдоль стенки камеры сгорания (см. рис. 13.1, д). В обоих случаях заряд приводится в достаточно интенсивное вращательное движение (тангенциальная скорость движения заряда достигает 50...60 м/с), способствующее распространению топливных капель вдоль стенки камеры сгорания. В вихревом заряде осуществляется сепарация рабочей смеси. Менее плотные продукты сгорания переносятся в центр камеры сгорания, а более плотный воздух из центральной части камеры сгорания — к периферии, где сконцентрировано топливо, обеспечивая его постепенное и полное окисление. Осуществляется так называемое термическое смесеобразование. Многочисленные опыты показали, что при таком механизме смесеобразования количество ТВС, подготовленной к быстрому сгоранию, уменьшается, горение сопровождается малыми скоростями нарастания давления в цилиндре, дизель работает «мягко» и менее шумно. Кроме того, он оказывается в большей степени приспособленным к работе на топливах различного фракционного состава, в частности на бензине. При впрыскивании топлива из-за затрат теплоты на его испарение существенно снижается температура заряда (до 150...200 °С по осям струй), что затрудняет воспламенение топлива. В случае использования легких топлив, имеющих высокую температуру воспламенения и нередко большую теплоту парообразования, снижение температуры в объеме факела может привести к увеличению периода задержки воспламенения , в результате чего он окажется больше продолжительности впрыскивания топлива и тогда почти 1 вся порция топлива будет участвовать в быстром сгорании. При этом скорости нарастания и максимальные значения давления в цилиндре будут недопустимо высоки. Попытка добиться надежного и быстрого воспламенения увеличением создает опасность уменьшения длины топливных струй из-за большой плотности заряда, особенно в случае камер сгорания с большим отношением диаметра камеры сгорания dк.с к диаметру цилиндра D. Разработаны конструкции двигателей, в которых сочетаются методы внутреннего смесеобразования и воспламенения от искрового разряда. В частности, предложено использовать искровое зажигание в камерах с пристеночным смесеобразованием. Таким образом достигается возможность снижения степени сжатия, использования топлив вплоть до высокооктановых бензинов и спиртов при малых величинах рz и dp/d . • Смесеобразование в разделенных камерах сгорания. Разделенные камеры сгорания состоят из вспомогательной и основной полостей, соединенных горловиной. В настоящее время применяют в основном вихревые камеры сгорания и предкамеры (рис.13.3). Рис.13.3. Разделенные камеры сгорания: а – вихревая (на верхней проекции показана направление перетекания заряда из основной полости в вихревую камеру при сжатии, на нижней – из вихревой камеры в основную при расширении); б – вихревая и распылитель типа "Пинтакс" со вспомогательным пусковым распыливающим отверстием; в – предкамера; г – предкамера малого перепада давления дизеля "MWM" В вихревой камере ось соединительной горловины направлена по касательной к внутренней поверхности сферической или цилиндрической вихревой камеры сгорания (рис. 13.3, а, 6). Поэтому в них создается направленное вихревое движение заряда. Скорость перетекания заряда через горловину и близкая к ней максимальная скорость движения заряда в вихревой камере достигают 100...200 м/с. Топливо впрыскивается штифтовым распылителем в направлении, показанном на рис. 13.3, а). Иногда для облегчения запуска применяют два неодинаково расположенных (относительно иглы) распыливающих отверстия, причем одно из них подает топливо в зону объема заряда с наибольшей температурой (рис. 13.3, б). Относительные объем и сечение горловины в случае предкамеры (рис.13.3, в), как правило, меньше, чем у вихревой камеры сгорания. Малые f г / Fп вызывают повышенные потери на перетекание заряда между обеими полостями камеры сгорания. Имеются, однако, предкамеры малого перепада давлений (рис.13.3, г), в которых Vпк / Vс и f г / Fблизки к аналогичным значениям для п вихревых камер сгорания, что вызвано стремлением уменьшить потери энергии на перетекание заряда и тем самым повысить экономичность предкамерного дизеля. Направление осей отверстий, соединяющих цилиндр с предкамерой, таково, что при перетекании заряда на такте сжатия, в последней создается беспорядочное движение заряда. Скорости перетекания достигают 300 м/с и более. Впрыскивание осуществляется навстречу потоку заряда, поступающему из цилиндра. Интенсивная турбулизация заряда в предкамере способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В результате быстрого, но неполного сгорания обогащенной смеси давление в предкамере резко возрастает. Начинается перетекание горящего заряда в основную полость камеры сгорания, где благодаря интенсивному перемешиванию топливо быстро и достаточно полно догорает даже при малых избытках воздуха ( = 1,15...1,2). • Смесеобразование при наддуве. При наддуве цикловая подача топлива увеличена, должна впрыскиваться за время, не большее, чем в базовом дизеле без надува. Поэтому при наддуве практически всегда прибегают к увеличению диаметра плунжера (иногда увеличивают его среднюю скорость). Для увеличения цикловой подачи топлива и сохранения общей длительности впрыскивания увеличивают эффективное проходное сечение распыливающих отверстий и увеличивают давление впрыскивания. Что обеспечивает более мелкое и однородное распыливание топлива, что может способствовать повышению качества смесеобразования. В случае газотурбинного наддува плотность заряда в цилиндре увеличивается с ростом частоты вращения и нагрузки, а продолжительность периода задержки воспламенения по времени сокращается. Чтобы обеспечить требуемое проникновение топливных струй за период задержки воспламенения, топливоподающая аппаратура должна обеспечить более резкое увеличение значений давления впрыскивания с увеличением частоты вращения и нагрузки, чем на дизеле без наддува. При высоких степенях форсирования наддувом может оказаться необходимым применение насосовфорсунок и топливных систем аккумуляторного типа. 13.2 Процесс сгорания Первая фаза сгорания, или период задержки воспламенения, определяется как интервал времени I , или углов поворота коленчатого вала I , от начала впрыскивания ( в п) до момента, когда давление в цилиндре становится в результате выделения теплоты выше давления при сжатии воздуха без впрыскивания топлива (точка 2 на диаграмме давления рис. 13.4, а). Рис. 13.4. Типичный характер процесса сгорания в дизеле Именно наличие всей гаммы составов смеси и температур определяет возможность воспламенения в среднем очень бедной смеси, например = 6 и более. Если период задержки воспламенения больше продолжительности впрыскивания, все топливо подается в цилиндр до начала воспламенения, большая часть его успевает испариться и смешаться с воздухом. В результате объемного воспламенения этой части топлива в цилиндре развиваются высокие давления, высокими оказываются динамические нагрузки на детали и шумоизлучение. Должна изменяться и форма камеры сгорания, желательно иметь более глубокую камеру в поршне, в сочетании с меньшей толщиной прокладки головки цилиндров. Последующие впрыскивания после основного должны содействовать более полному сгоранию оставшихся твердых частиц, а также обеспечить периодическое получение высокой температуры отработавших газов, необходимой для очистки фильтра твердых частиц. В дальнейшем желательно получение гомогенного смесеобразования. Осуществление частичной гомогенизации возможно уже в этом десятилетии (гомогенный дизель). Некоторые специалисты считают, что необходимо иметь сочетание хорошего рабочего процесса с возможно высокой температурой, что обеспечит высокую экономичность и значительно меньшие выбросы твердых частиц. Образующееся большое количество NOх должно удалятся в системе выпуска. Не исключено использование присадок, например, карбида (мочевины). Вторая фаза сгорания, или фаза быстрого сгорания, начинается с момента, определяемого как момент воспламенения, и продолжается до достижения максимума давления. Эту фазу можно разделить на две части: от начала сгорания до точки а и участок а 3 (рис. 13.4, а). В течение первой сгорает часть смеси, подготовленная к воспламенению за , и происходит быстрое тепло выделение и нарастание давления. Начиная с точки а процесс лимитируется смешением топлива и воздуха и, следовательно, принципиально возможно направленное изменение характера тепло выделения и нарастания давления. Третья фаза сгорания, или фаза быстрого диффузионного сгорания, наиболее ярко выраженная при больших нагрузках и в дизелях с наддувом, начинается в момент достижения максимума давления и завершается в момент максимума температуры, который всегда достигается позже максимума давления. Это связано с тем, что после завершения второй фазы может происходить интенсивное тепловыделение. Вследствие 1 p ~ высокой чувствительности к изменению объема n2 V давление начинает падать, когда достигается определенное сочетание скоростей тепловыделения и увеличения объема. Температура заряда в меньшей степени зависит от увеличения 1 Т ~ n 1 объема, V 2 поэтому понижение температуры начинается при большей скорости увеличения объема, т. е. дальше от ВМТ. В третьей фазе имеет место диффузионное сгорание при интенсивном смешении. Топливо подается в пламя. В зонах с повышенным содержанием топлива происходит интенсивное образование сажи. Период задержки воспламенения впрыскиваемых в пламя порций топлива сравнительно невелик. Тепловыделение в принципе является управляемым. В ряде случаев (например, в дизелях с высоким наддувом) скорости тепловыделения в рассматриваемой фазе и во второй фазе сгорания близки по значению. Четвертая фаза сгорания (догорание) продолжается с момента достижения максимальной температуры цикла до окончания тепловыделения. В этой фазе также происходит диффузионное сгорание, но при малой скорости смешения, так как основная часть топлива и окислителя уже израсходована. При благоприятных условиях происходит достаточно полное выгорание сажи, образовавшейся в течение предыдущих фаз сгорания. 13.3 Влияние различных факторов на процесс сгорания в дизельных двигателях 1. Цетановое число топлива, характеризует воспламеняемость топлива, чем оно больше, тем лучше воспламеняемость и меньше продолжительность первой фазы сгорания . Отечественные топлива имеют цетановое число 45, рекомендуемые EURO-III и EURO-IV – 51. Цетановое число связано с октановым соотношением 0.4. Ц .Ч . 60 2 2. Увеличение давления и температуры в начале впрыскивания топлива сокращает I . Поэтому применение наддува, повышение , уменьшение угла опережения впрыскивания уменьшает I . , 3. Увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к возрастанию скорости сжатия заряда, улучшению распыливания топлива и повышению температуры и давления заряда в момент начала впрыскивания топлива. Это сокращает I , по I расчет. Так же сокращается II , а II почти не возрастает. Так как подача и распыливание топлива интенсифицируется, скорость движения заряда повышается, то III сокращается, а III несколько возрастает. 4. Если увеличение нагрузки производится концом подачи, то I незначительно уменьшается в связи с увеличением p и t заряда в момент начала впрыска топлива. Если увеличение нагрузки регулируется началом подачи, то I увеличивается вследствие уменьшения температуры и давления заряда в цилиндре в момент начала впрыскивания топлива. С увеличением нагрузки увеличивается продолжительность II за счет заключительной ее части, что связано с увеличением величины впрыскиваемой порции топлива и длительности ее подачи. В третьей фазе с увеличением нагрузки увеличивается количество выделяемой теплоты, а III увеличивается. 5. Тип камеры сгорания влияет на I вследствие различий в распределении топлива по объему заряда и пристеночной зоне, а также в температуре стенок камеры сгорания. От того, какое количество топлива поступит в камеру сгорания за I , зависит II . 6. Характер впрыскивания и распыливания. Интенсификация впрыскивания и ускорение развития топливных струй способствуют небольшому сокращению I . Качество распыливания влияет на IV . Чем больше диаметр капель, тем длительное процесс догорания топлива. Продолжительное снижение давления впрыскивания, подвпрыскивания способно вызвать недопустимое затягивание процесса сгорания и образования сажи, что снижает надежность работы дизеля вследствие закоксовывания распыливающих отверстий и повышенных отложений на деталях. Попадание топлива на холодные поверхности внутрицилиндрового пространства вызывает увеличение IV . • 7. Наддув. Уменьшение I , увеличивает тепловыделение. При наддуве количество теплоты, выделяемой в течение третьей фазы превышает количество теплоты, выделяемой в течение второй фазы, что приводит к росту III и приводит к затягиванию процесса догорания топлива вследствие увеличения продолжительности впрыскивания. 13.4 Процесс расширения Расширение, протекающее в течение рабочего хода поршня, является в безнаддувных двигателях единственным процессом, в котором совершается полезная работа, обеспечивающая на валу двигателя положительный крутящий момент. Расширение происходит при переменных величинах поверхности теплообмена, а также давления в надпоршневом пространстве, и сопровождается потерями незначительного количества рабочего тела через кольцевые уплотнения. В начале процесса расширения еще продолжается сгорание топлива. Его теплота идет в основном на повышение внутренней энергии РТ, поскольку перемещение поршня невелико и совершаемая газами положительная работа незначительна. Часть же выделившейся при сгорании теплоты отводится через поверхности КС в систему охлаждения. Несмотря на увеличение надпоршневого объема, по мере вращения коленчатого вала давление в цилиндре в начале хода поршня от ВМТ повышается изза сгорания топлива с выделением больших количеств теплоты, чем суммарные ее затраты на теплообмен и совершаемую работу. В дизелях увеличение давления после прохождения поршнем ВМТ продолжается дольше, чем в двигателях с искровым зажиганием. Следствием выделения теплоты при сгорании, вызывающим увеличение давления заряда, являются отрицательные текущие значения показателя политропы расширения в начале такта n2расширения. Дальнейшее перемещение поршня в сторону НМТ сопровождается уменьшением выделяющейся при сгорании топлива теплоты, а также увеличением затрат теплоты на совершение работы и на теплообмен. Результатом этого является замедление нарастания давления и достижение им своего максимального значения, после чего начинается резкое его понижение. Максимальное значение температуры рабочего тела (РТ) в цилиндре достигается позже, чем pz. Очевидно, что при достижении теплота, выделяющаяся при догоранин топлива, будет численно равна (за вычетом потерь в стенки) совершаемой газами работе, т.е. в какоето мгновение процесс расширения становится квазиизотермическим. Начиная с этого мгновения имеет место падение температуры. Параметры РТ в конце процесса расширения могут быть определены по формулам политропного процесса. Для n дизелей 1 рв р z 1 Тв Т z 2 n2 1 и , где =Vв/Vz, — степень последующего расширения. Для двигателей с искровым зажиганием ( ) n 1 рв р z 1 Тв Т z 2 n2 1 , . • Выбор значений показателя политропы n . Показатель n 2 2 зависит от типа двигателя, его конструктивных особенностей и режима работы. Так как потери теплоты через стенки цилиндра зависят от поверхности, приходящейся на единицу объема (F/Vz), то увеличение диаметра цилиндра при неизменном значении его объема Vа должно сопровождаться уменьшением относительных n2 поверхностей теплообмена, а потому показатель для короткоходных двигателей должен быть меньше, чем для длинноходных двигателей того же объема. Значение показателя n2 снижает и пропорциональное увеличение размеров цилиндра, поскольку и в этом случае должно понижаться отношение F/ Vа. Значения показателя политропы n2 , а также давление и температура в конце процесса расширения для дизелей и бензиновых двигателей приведены в табл. 13.1. Таблица 13.1 Наименование показателей Тип двигателя Бензиновые двигатели Автотракторные двигатели n2 рВ , МПа Тв, К 1,23…1,3 0 1,18…1,2 8 0,35…0, 5 0,2…0,4 0 1200…150 0 1000…120 0 Контрольные вопросы 1. Какое смесеобразование называют объемным? 2. Какова величина угла рассеивания топливных струй? 3. Чем отличается пристеночное смесеобразование от объемного? 4. С какой целью применяется смесеобразование в разделенных камерах? 5. Когда в дизеле начинается вторая фаза сгорания? 6. Как влияет цетановое число топлива на процесс сгорания? 7. Какие факторы влияют на процесс сгорания в дизельных двигателях
