Какое смесеобразование применяется в дизельных двигателях: Смесеобразование в дизеле.

Смесеобразование в дизельных двигателях

Категория:

   Автомобили и трактора

Публикация:

   Смесеобразование в дизельных двигателях

Читать далее:

Смесеобразование в дизельных двигателях протекаат за очень короткий промежуток времени, примерно в раз меньший, чем в карбюраторных. Поэтому получение однородной смеси в камере сгорания таких двигателей представляет значительно более трудную задачу, чем в карбюраторных. Для обеспечения своевременного и полного сгорания топлива необходимо вводить значительный избыток воздуха (а = 1,2—1,75) и применять ряд других мер, обеспечивающих хорошее перемешивание воздуха и топлива.

Чтобы уменьшить коэффициент избытка воздуха, а следовательно, повысить среднее эффективное давление и литровую мощность, необходимо улучшить качество смесеобразования за счет: – согласования формы камеры сгорания с формой топливного факела, выбрасываемого из форсунки при подаче топлива; – создания в камере сгорания интенсивных воздушных потоков вихрей, которые способствуют перемешиванию топлива с воздухом; – осуществления тонкого и однородного распыливания топлива.

Выполнение первых двух условий обеспечивается применением камер сгорания специальных форм. Тонкость и однородность распыливания топлива улучшается с увеличением давления впрыска, уменьшением диаметра соплового отверстия форсунки и вязкости топлива.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

По способу смесеобразования дизельные двигатели бывают с неразделенными и разделенными камерами сгорания.

Неразделенные камеры представляют собой единый объем, ограниченный днищем поршня и поверхностями головки и стенок цилиндра (рис. 69, а). В этот объем через форсунку впрыскивается топливо в виде одной или нескольких струй, и в нем происходят процессы смесеобразования и сгорания. Для улучшения смесеобразования форму камеры сгорания стремятся согласовать с формой струи топлива, подаваемого форсункой, а воздушный поток заставляют вращаться вокруг вертикальной оси цилиндра и образовывать дополнительно кольцевой вихрь.

Основными преимуществами рассмотренного способа смесеобразования являются высокая экономичность и легкий пуск.

К недостаткам следует отнести сравнительно жесткую работу и высокое (25— 40 МПа) давление впрыска.

Разделенные камеры сгорания состоят из основной камеры, ограниченной днищем поршня и поверхностью головки, и дополнительной камеры, расположенной в головке цилиндра или в днище поршня. Основная и дополнительная камеры сообщаются между собой одним или несколькими каналами или горловиной.

В зависимости от способа улучшения смесеобразования дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания делятся на предкамерные и вихрекамер-ные.

В предкамерных двигателях (рис. 69,6) камера сгорания делится на две полости: предкамеру, объем которой составляет 25—40% всего объема камеры сгорания, и основную камеру, расположенную над поршнем. Предкамера и камера сообщаются между собой каналом с одним или несколькими отверстиями небольшого диаметра. Сущность предка-мерного смесеобразования заключается в том, что при такте сжатия часть воздуха перетекает из цилиндра через соединительный канал в предкамеру. Топливо, впрыскиваемое форсункой в предкамеру, дополнительно распыливается встречными струями воздуха и самовоспламеняется. Так как в предкамере находится небольшая часть воздушного заряда, то в ней сгорает только часть впрыснутого топлива. При этом давление и температура в предкамере повышается и газы вместе с несгоревшим топливом с большой скоростью 200—300 м/с выдуваются через соединительный канал в основную камеру. За счет использования энергии части сгоревшего топлива образуется интенсивное вихревое движение и несгоревшее еще топливо хорошо перемешивается с воздухом и сгорает. Давление впрыска в предкамеру обычно составляет 8—13 МПа, что уменьшает износ топливной аппаратуры и обеспечивает большую надежность соединений трубопроводов высокого давления. Работают предкамерные двигатели более мягко — за счет последовательного сгорания топлива в двух объемах.

Рис. 69. Схемы камер сгорания дизельных двигателей

К недостаткам следует отнести большие потери тепла, увеличенный удельный расход топлива (из-за повышенных гидравлических потерь) по сравнению с двигателями с неразделенными камерами, затрудненный пуск двигателя, что вызывает применение специальных пусковых приспособлений.

В вихрекамерных двигателях (рис. 69, в) камера сгорания также делится на две полости — вихревую камеру, объем которой составляет 60—80% объема камеры сгорания, и камеру, расположенную над поршнем. Вихревая камера и камера соединяются каналом специальной формы, который называется диффузором. Диффузор располагается по касательной по отношению к вихревой камере. При такте сжатия воздух из камеры через диффузор перетекает в вихревую камеру и приобретает в ней вращательное движение. Благодаря интенсивному завихрению воздуха в камере топливо, впрыснутое форсункой, хорошо распыливается, перемешивается в воздухом и самовоспламеняется. При сгорании топлива в вихревой камере давление и температура газов повышается и они вместе с несгоревшей частью топлива перетекают в основную камеру сгорания, где перемешиваются с неиспользованным еще воздухом и полностью сгорают. Преимущества и недостатки двигателей с вихревыми камерами по сравнению с двигателями с неразделенными камерами те же, что и у пред-камерных двигателей.

Рекламные предложения:

Категория: — Автомобили и трактора

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Смесеобразование в дизельных двигателях — Энциклопедия по машиностроению XXL

Способы смесеобразования в дизельных двигателях  [c.122]

СПОСОБЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ  [c.113]

Смесеобразование в дизельных двигателях протекает за очень короткий промежуток времени, примерно в Ю раз меньший, чем в карбюраторных. Поэтому получение однородной смеси в камере сгорания таких двигателей представляет значительно более трудную задачу, чем в карбюраторных. Для обеспечения своевременного и полного сгорания топлива необходимо вводить значительный избыток воздуха (а 1,2—1,75) и применять ряд других мер, обеспечивающих хорошее перемешивание воздуха и топлива.  [c.102]

К две с внутренним смесеобразованием относятся дизельные двигатели. В таких двигателях на процессы смесеобразования, происходящие непосредственно-в цилиндре, отводится незначительное время — от 0,05 до 0,001 с это в 20—30 раз меньше времени внешнего смесеобразования в карбюраторных двигателях. Подача топлива-в цилиндр дизеля, последующее-распыливание и частичное распределение по объему камеры сгорания производится топливоподающей аппаратурой насосом и форсункой.

В дизельных двигателях с непосредственными впрысками камера сгорания образуется за счет пространства, заключенного между поверхностью днища поршня и головкой блока. Основная часть объема камеры сгорания создается за счет выемки в днище поршня, имеющей форму факела топлива, распыливаемого форсункой. Хорошее смесеобразование создается за счет большого количества и малого сечения выходных отверстий форсунки и высокого давления впрыска (от 150 до 1400 кгс/см ). Кроме того, в конце такта сжатия форма камеры сгорания способствует завихрению сжимаемого воздуха, что также улучшает смесеобразование.  [c.76]

В дизельных двигателях смесеобразование полностью осуществляется в цилиндрах. На этот процесс отводится очень малое время — 0,003—0,005 сек., в течение которого должно быть достигнуто хорошее распыливание, испарение, перемешивание и равномерное распределение топлива по всему объему камеры сгорания.  

К дизельным топливам при эксплуатации предъявляются аналогичные требования, что и к бензинам. Однако из них можно выделить ряд специфических требований, обусловленных особенностями смесеобразования и воспламенения в дизельных двигателях. Эти требования в общем виде следующие сохранение текучести и определенной вязкости топлива до возможно более низких температур с целью обеспечения надежной подачи в цилиндры двигателя хорошее смесеобразование и воспламеняемость топлива при впрыске в камеру сгорания.  [c.14]

[c. 16]

Различие способа смесеобразования в дизельных и карбюраторных двигателях оказывает также влияние на различное исполнение камер сгорания. В дизельных двигателях форма камеры сгорания обеспечивает равномерность распределения рабочей сме-  [c.121]

Чтобы рабочая смесь равномерно и быстро распределялась по всей камере сгорания, необходимо глубокое проникновение струи топлива и мелкое ее распыление. Однако мелко распыленное топливо хуже проникает в сжатый воздух камеры сгорания, поэтому необходимо увеличивать давление впрыска топлива. Кроме того, при впрыске топливо должно хорошо перемешиваться с воздухом, что может быть достигнуто завихрением воздуха, создаваемым при поступлении его в цилиндр и при сжатии. В соответствии с этим в дизельных двигателях применяют различные способы смесеобразования.  

Различие способа смесеобразования в дизельных и карбюраторных двигателях оказывает также влияние на различное исполнение камер сгорания. В дизельных двигателях форма камеры сгорания обеспечивает равномерность распределения рабочей смеси по всему объему камеры и влияет также на качество смесеобразования.  [c.113]

При а > 1 смесь топлива и воздуха называют обедненной, так как в ней в действительности может сгореть большее количество топлива. Такие смеси применяют в дизельных двигателях с целью обеспечения полноты сгорания топлива. Из-за плохого смесеобразования в этих двигателях при малых а (уже при а = 1.1… 1.2) невозможно обеспечить полного сгорания топлива.  [c.183]

Решение проблемы было найдено простым способом. Для исключения самовоспламенения топлива сначала в расширительной машине теплового двигателя сжимают не горючую смесь (смесь топлива с воздухом), а воздух. В процессе сжатия температура воздуха возрастает и в некоторый момент времени становится больше температуры самовоспламенения топлива, но в расширительной машине топливо пока отсутствует. В момент подхода поршня к ВМТ в цилиндр расширительной машине впрыскивается топливо, которое воспламеняется от сильно нагретого воздуха. Для впрыска топлива в цилиндр расширительной машины оно сжимается в специальном насосе. Давление топлива в насосе должно превышать давление воздуха в цилиндре расширительной машины, так как только в этом случае топливо будет поступать в цилиндр. При поступлении топлива в цилиндр расширительной машины происходит его распыление с помощью специального устройства, называемого форсункой. В процессе распыления струя топлива измельчается на мельчайшие частички. Чем больше частичек, тем больше площадь их контакта с сильно нагретым при сжатии воздухом. От площади контакта частичек с воздухом зависит скорость их испарения. Для быстрого сгорания топлива его необходимо перевести в газообразное (паровое) состояние и быстро смешать с воздухом. Таким образом, в данном случае горючая смесь готовится внутри цилиндра расширительной машины, поэтому такие двигатели называют двигателями с внутренним смесеобразованием или дизельными двигателями. В них сгорание топлива происходит несколько медленнее, чем в двигателях с внешним смесеобразованием (бензиновых двигателях). Это позволяет в некотором приближении рассматривать цикл таких двигателей как близкий к идеализированному циклу со смешанным процессом подвода тепловой энергии к рабочему телу.  [c.207]

Так как в дизельных двигателях горючая смесь готовится в цилиндре (двигатель с внутренним смесеобразованием), то на ее приготовление отводится очень мало времени (не более 0.003… 0.004 секунды). За это время топливо не успевает испариться и равномерно распределиться по объему камеры сжатия (сгорания). Поэтому в камере сгорания возникают зоны, где много топлива и мало воздуха. В этих зонах может иметь место неполное сгорание топлива. Для обеспечения полного сгорания топлива в дизельных двигателях увеличивают подачу воздуха, т. е. в цилиндре двигателя находится значительно больше воздуха, тем теоретически требуется для полного сгорания топлива. Коэффициент избытка воздуха, определяемый выражением (15.89), в дизельном двигателе больше 1. Для дизельных двигателей коэффициент избытка воздуха находится в пределах а = 1.25…2.0 в зависимости от конструкции камеры сгорания и других технических факторов.  [c.403]

Уменьшение сопротивления на впуске за счет уменьшения скорости потока путем увеличения сечений трубопроводов не всегда возможно по нескольким причинам. Во-первых, при увеличении сечений трубопроводов возрастают габариты и масса двигателя, во-вторых, снижение скорости потока уменьшает турбулизацию свежего заряда при поступлении его в цилиндры, в результате чего происходит ухудшение качества смесеобразования как в бензиновых, так и в дизельных двигателях.  [c.22]

В дизельных двигателях в связи с особенностями процесса смесеобразования (в цилиндре сжимается чистый воздух, а не готовая к сгоранию смесь) проблема возникновения детонационного сгорания отсутствует. Здесь необходимо избегать пониженных значений степени сжатия, с тем чтобы и при неблагоприятных условиях (например, при очень низкой температуре окружающей среды) обеспечить надежное самовоспламенение смеси в цилиндре. Поэтому легковые автомобили оснащаются дизельными двигателями со степенью сжатия от 19 до 23. При этом более высокие значения е назначаются в двигателях с предкамерным и вихрекамерным смесеобразованием, где поверхность камеры сгорания увеличенная. Большие значения е являются основной причиной высокой экономичности дизельных двигателей. Дальнейшее увеличение а не дает существенного выигрыша в экономичности, но требует более жесткой конструкции основных деталей двигателя, а следовательно, увеличения его металлоемкости, что для автомобильного двигателя крайне нежелательно.  [c.39]

Цетановые числа дизельных топлив лежат в пределах 35ч-60. Необходимым условием для лучшего сгорания топлива в двигателе дизеля является хорошее перемешивание распыленного топлива с воздухом смесь топлива и воздуха должна быть по возможности однородной. В дизеле процесс получения рабочей смеси сложнее, чем в карбюраторном двигателе, так как он происходит непосредственно в камере сгорания двигателя, а время, отводимое на процессы смесеобразования, значительно меньше. При плохом распределении топлива по объему камеры сгорания смесь по составу будет неоднородной. Неудовлетворительное распыление топлива ухудшает качество рабочей смеси. В дизеле, где смесь обычно неоднородна по составу и неравномерно распределена по камере сгорания, воздуха для сгорания требуется больше, чем это теоретически необходимо. Расход воздуха у дизелей составляет примерно 20 -f- 25 кг на I кг топлива, т. е. в 1,5-н 2 раза больше, чем в карбюраторных двигателях. Качество рабочей смеси зависит от способов смесеобразования, которые могут быть разделены на три группы.  [c.283]

Система питания четырехтактных дизельных двигателей представлена на рис. 52. Система питания — раздельная, насос высокого давления — общий для всех цилиндров. К форсункам топливо поступает по топливопроводам высокого давления. Насосы высокого давления 2 (рис. 52, а) и 6 (рис. 52, б) подают топлива значительно больше, чем требуется для смесеобразования, и этим обеспечивают беспрерывную циркуляцию топлива по системе питания. При этом детали форсунок охлаждаются, а топливо подогревается, что повышает надежность работы двигателя в холодное время года.  [c.72]

Вязкость топлива влияет непосредственно на процесс образования смеси. От нее зависят также надежность и ресурс топливной аппаратуры дизелей. Требования к вязкости топлива неоднозначны. С одной стороны, при повышенной вязкости не удается обеспечить удовлетворительную тонкость распыливания топлива форсункой, что ухудшает процесс смесеобразования и приводит к снижению экономичности двигателя, повышению дымности отработавших газов, с другой стороны — вязкость должна быть такой, чтобы исключить подтекание топлива в зазорах плунжерных пар насоса и обеспечить их смазку. Для летней эксплуатации быстроходных дизельных двигателей вязкость топлива (при 20 °С) должна находиться в пределах 3,0—6,0, для зимней 1,8—6,0, для арктических условий — в пределах 1,5—4,0 мм /с.  [c.23]

У дизельных двигателей с неразделенными камерами сгорания весь объем камеры располагается в одной полости, ограниченной днищем поршня и внутренней поверхностью головки цилиндров (рис. 54). Основной объем камеры сгорания сосредоточен в выемке днища поршня, имеющего конусообразный выступ в центральной части. Периферийная часть днища поршня имеет плоскую форму, вследствие чего при подходе поршня к в. м. т. в такте сжатия между головкой и днищем поршня образуется объем вытеснения. Воздух из этого объема вытесняется в направлении камеры сгорания. При перемещении воздуха создаются вихревые потоки, которые способствуют лучшему смесеобразованию.  [c.122]

Дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания работают мягко. Из-за усиленного движения в них воздуха обеспечивается высококачественное смесеобразование. Это позволяет осуществлять впрыск топлива с меньшим давлением. Однако у таких двигателей тепловые и газодинамические потери несколько больше, чем у двигателей с неразделенной камерой сгорания, и коэффициент полезного действия ниже.  [c.125]

Для обеспечения нормальной работы дизельного двигателя необходимо, чтобы впрыск топлива в цилиндры двигателя происходил в тот момент, когда поршень находится в конце такта сжатия вблизи в.м.т. Желательно также с увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя увеличить угол опережения впрыска топлива, так как в этом случае происходит некоторое запаздывание подачи и снижается время на смесеобразование и сгорание топлива. Поэтому насосы высокого давления современных, дизельных двигателей снабжают автоматическими муфтами опережения впрыска.  [c.140]

Дизельное топливо (газойль) используется в быстроходных двигателях с внутренним смесеобразованием, чаще всего имеющих высокую степень сжатия. Требования, предъявляемые к этим видам топлив, несколько отличаются от тех, которым должны удовлетворять топлива карбюрируемые. Испарение топлива в двигателях с внутренним смесеобразованием происходит непосредственно в цилиндре, где уже в результате сжатия воздух нагрет до температуры 800—900° К. Поэтому испарение топлива происходит весьма интенсивно. Однако в быстроходных дизелях время, в течение которого протекают процессы смесеобразования и сгорания, весьма мало, что при наличии в топливе особо тяжелых фракций существенно ухудшает совершенство его сгорания.  [c.188]

Современные газовые двигатели относятся в большинстве случаев к группе двигателей с внешним смесеобразованием и имеют принудительное зажигание. Применение газовых двигателей с воспламенением от сжатия затруднено в основном вследствие высокой температуры самовоспламенения газообразных горючих веществ, которая на 200- 300° С выше температуры самовоспламенения дизельного топлива. В качестве топлива в таких двигателях могут применяться естественные, промышленные или генераторные газы.  [c.235]

Двигатели могут различаться по способу образования горючей смеси и ее воспламенения — с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением от электрической искры (карбюраторные и газовые), с внутренним смесеобразованием и воспламенением от соприкосновения с нагретым в результате сильного сжатия воздухом (дизельные) способу осуществления рабочего цикла (четырехтактные и двухтактные) по конструктивному исполнению (рядные, У-образные) способу охлаждения (с жидкостным и воздушным охлаждением). На изучаемых автомобилях устанавливаются четырехтактные карбюраторные и дизельные двигатели с жидкостным охлаждением.  [c.7]

К дизельным топливам предъявляют ряд требований. Они должны иметь низкую температуру застывания и необходимую вязкость обеспечивать хорошее смесеобразование обладать надежным самовоспламенением не образовывать нагар в цилиндрах двигателя обеспечивать полное сгорание топлива и устойчивую работу двигателя без дымного выхлопа и стуков не содержать воды, кислот, щелочей и механических примесей.  [c.277]

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя проходит в той же последовательности, что и цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Отличие заключается в характере протекания рабочего цикла, в способе смесеобразования и воспламенения топлива.-  [c.20]

Форму камеры сгорания дизельного двигателя в основном определяет примененный способ смесеобразования. Камеры сгорания дизельных двигателей подразделяются на разделенные и неразделенные.  [c.36]

Смесеобразование в дизельном двига-хеле менее совершенно, чем в карбюраторном. Это объясняется тем, что время, отведенное на смесеобразование в дизельном двигателе, очень ограничено. Достаточно сказать, что у некоторых дизельных двигателей угол опережения впрыска составляет 4—8°, а в связи с этим время на смесеобразование приблизительно в 45 — 70 раз меньше, чем у карбюраторных двигателей такой же быстроходности. В силу этого, несмотря на различные устройства, улучшаюш,ие смесеобразование, впрыснутое топливо распределяется в воздухе неравномерно. Для обеспечения более полного сгорания впрыснутого топлива дизельные двигатели работают с довольно высоким коэффициентом избытка воздуха.  [c.385]

Условия смесеобразования в разделенных камерах лучше, так как на этот процесс расходуется часть энергии сгоревшего в дополнительной камере топлива. Поэтому у дизельных двигателей с такими камерами токсичность и дымность отражавших газов ниже. Исследования показывают, что дизельные двигатели с предкамерой по сравнению с неразделенной камерой выбрасывают меньше окиси углерода в 2.5…3.0 раза, окислов азота —на 20…30%, углеводородов — в 2.0…2.5 раза и имеют меньшую дымность отработавших газов. Кроме того, дизельные двигатели с предквг мерами могут работать на более высоких частотах вращения. Еще одним из преимуществ является более низкая шумность работы дизеля. Но из-за потерь энергии на перетекание газов между камерами, большой поверхности камер экономичность таких дизелей на 10… 15% ниже, чем дизельных двигателей с неразделенными камерами сгорания. По этим причинам в настоящее время более перспективными для мощных транспортных, сельскохозяйственных, строительных и других машин считаются дизельные двигатели с неразделенными камерами. В дизельных двигателях малой мощности, особенно в тех, что предназначены для установки на легковые и грузовые автомобили малой грузоподъемности, широко используемые в населенных пунктах и городах, целесообразнее применять разделенные камеры.  [c.555]

Особенностью рабочего процесса таких двигателей является то, что топливо впрыскивается не в основное пространство камеры сгорания, а в предкамеру. В предкамере оно частично сгорает и повышает давление в ней. Под действием этого давления остальное топливо поступает в основную камеру. При этом оно хорошо распыливается и. интенсивно перемешивается с воздухом в иадпоршневом пространстве. При таком смесеобразовании давление в цилиндре нарастает плавно, поэтому предкамерный дизельный двигатель работает более мягко, чем дизельный двигатель с непосредственным впрыском топлива.  [c.187]

Двигатели с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением топлива. В этих двигателях используется трудноиспаряемое топливо (дизельное топливо, соляровые масла и их смеси), и горючая смесь образуется в камерах сгорания двигателей. Поэтому конструкция камер сгорания дизелей оказывает непосредственное влияние на способ смесеобразования и воспламенения горючей смеси. В современных дизелях в зависимости от конструкции камер сгорания и способа подачи топлива используют неразделенные камеры с объемным или  [c.343]

Способы, смесеобразования дизелей — MirMarine

Поступающее в цилиндр дизеля топливо должно сгорать полностью и в определенный период времени. Для этого топливо должно быть распылено на мельчайшие частицы (по возможности одинакового размера) и смешано с воздухом так, чтобы каждая частица распыленного топлива была обеспечена необходимым для сгорания количеством воздуха.

Теоретически для сгорания 1 кг нефтяного топлива требуется около 15 кг воздуха. В действительности количество воздуха, потребное для сгорания 1 кг топлива, может отличаться, и притом значительно, от теоретически необходимого. Это зависит от качества смесеобразования.

Оценивается качество смесеобразования коэффициентом избытка воздуха α, который представляет собой отношение действительно расходуемого количества воздуха m_д для полного сгорания 1 кг топлива к теоретически необходимому
m_т : α = m_д / m_т

При внешнем смесеобразовании (карбюраторные двигатели) α = 0,95÷1,1

При внутреннем смесеобразовании (дизели, калоризаторные двигатели) α = 1,4÷2,2

У компрессорных дизелей смесеобразование осуществляется при помощи форсунок, в которые подаются топливо под давлением 50 — 60 бар и для его распыливания — сжатый воздух от компрессора под давлением 60—70 бар.

У бескомпрессорных дизелей смесеобразование обеспечивается также при помощи форсунок, но за счет высокого давления топлива, создаваемого топливными насосами, и использования завихрений воздуха при его сжатии в цилиндре.

Способы смесеобразования, применяемые в бескомпрессорных дизелях.

В зависимости от конструкции и формы камеры сгорания различают двигатели с неразделенными и с разделенными камерами сгорания.

У дизелей с неразделенными камерами сгорания применяется прямоструйное смесеобразование — характеризуется высоким давлением топлива (от 250—700 до 2000 бар), поступающего в форсунку, и наличием в распылителе форсунки от 4 до 12 распыливающих отверстий диаметром от 0,2 до 0,9 мм, в зависимости от мощности цилиндра двигателя.

Форма камеры сгорания (рис. 18) приближается к форме факела впрыскиваемого топлива. Этим достигается равномерное распределение частиц топлива по всему объему камеры сгорания.

Площадь поверхностей, ограничивающих камеру сгорания, по отношению к ее объему невелика, что позволяет уменьшать потери тепла в окружающую среду и достигать высокой экономичности.

При прямоструйном смесеобразовании коэффициент избытка воздуха колеблется в пределах α = 1,8÷2,2. Столь высокий коэффициент избытка воздуха отчасти объясняется использованием воздуха для некоторого охлаждения стенок камеры сгорания.

Пленочное смесеобразование

У некоторых быстроходных дизелей применяется пленочное смесеобразование (рис. 19, а). В объем камеры сгорания входит небольшое пространство между поршнем и крышкой цилиндра, а также объем сферической выемки в поршне. Топливо через форсунку с одним отверстием впрыскивается под давлением 150—170 бар в сферическую выемку, покрывая тонкой пленкой поверхность поршня. При соприкосновении с нагретой поверхностью выемки топливо испаряется, интенсивно перемешиваясь с воздухом.

Экономичность при таком способе смесеобразования несколько ниже, чем при прямоструйном; коэффициент избытка воздуха α = 1,6÷1,8.

Предкамерное смесеобразование

У дизелей с предкамерным смесеобразованием (двигатели с разделенными камерами сгорания) камера сгорания состоит из двух камер (рис. 19, б): основной, расположенной между поршнем и крышкой цилиндра, и предкамеры, объем которой составляет около 30% всего объема.

Топливо под давлением 120—150 бар впрыскивается через одно дырчатую форсунку в предкамеру. Здесь оно воспламеняется, и часть его сгорает, повышая давление в предкамере. Отсюда через соединительное отверстие несгоревшее топливо выбрасывается в основную камеру, где смешивается с оставшимся воздухом и окончательно сгорает.

Ввиду большой площади поверхности камеры сгорания экономичность при этом способе ниже, чем при способах смесеобразования, рассмотренных ранее, пусковые качества двигателя хуже.
Коэффициент избытка воздуха а = 1,5÷1,7.

Вихревое смесеобразование

При вихрекамерном смесеобразовании (рис. 19, в) смешивание топлива с воздухом достигается за счет интенсивного завихрения воздуха в вихревой камере. Этому способствуют расположенные на донышке поршня кругообразные выточки.

Топливо под давлением 120—150 бар подается через форсунку с одним отверстием в вихревую камеру, где воспламеняется и частично сгорает. Сгорание остального топлива завершается в основной камере, куда оно выбрасывается через горловину вихревой камеры. Экономичность и пусковые качества — примерно такие же, как в случае предкамерного смесеобразования. Коэффициент избытка воздуха а = 1,4÷1,6.

Образование смеси в дизельных двигателях | Автомобильный справочник

Отличительной особенностью дизельных дви­гателей является отсутствие внешних источ­ников зажигания. Исключение необходимости в них достигается за счет впрыска способного к воспламенению топлива в сильно сжатый и, следовательно, горячий воздух. Высокие конечные значения давлений и температур, свыше 600 °С и 100 бар на двигателях с турбо­наддувом обеспечивают чрезвычайно ровную работу двигателя. Образование смеси в дизельных двигателях, испарение, смешивание и последующее сгорание топлива могут происходить в течение очень короткого периода времени.

Обычно используется комбинация отвер­стий диаметром от 120 до 150 мкм. Быстрому впрыску топлива и смесеобразованию способ­ствуют малый диаметр отверстий и высокое давление впрыска, достигающее 2000 бар.

Вначале диаметр струи топлива равен диа­метру отверстия. Однако, пройдя несколько миллиметров, струя распадается на отдель­ные капли, которые взаимодействуют с полем потока. Жидкая фаза струи топлива, в зави­симости от плотности рабочей среды, может проникать в камеру сгорания на несколько сантиметров, прежде чем она будет полностью атомизирована или испарится (см. рис. «Распространение струи топлива и смесеобразование в дизельных двигателях» ).

Образованию капель топлива и его ис­парению способствует турбулентность. В со­временных дизельных двигателях более 80% турбулентности в области образования струи топлива генерируется за счет впрыска топлива. Развитию турбулентности способствует движе­ние заряда топлива, причем на дизельных дви­гателях с плоской головкой блока цилиндров преобладают горизонтальные завихрения. До­полнительный вклад могут вносить воздушные потоки, вызываемые сжатием, и направлен­ные от наружной области камеры сгорания к внутренней (“потоки сжатия”) или такая кон­струкция камеры сгорания, в которой, напри­мер, контакт с горячей областью углубления в поршне, способствующий испарению.

Системы прямого впрыска топлива за несколько последних десятилетий продемонстрировали свои преимущества по сравнению с системами непрямого впрыска, такими как системы с вих­ревой камерой или форкамерой. В системах с непрямым впрыском топлива подготовка то­плива в основном осуществляется за счет фор­мирования локального потока в предкамере.

Процесс сгорания топлива в дизельном дви­гателе отличается от процесса в двигателе с искровым зажиганием степенью сжатия и за­жиганием. В целом процесс сгорания топлива в дизельном двигателе можно описать как три последовательных процесса: задержка зажи­гания: сгорание предварительно приготовлен­ной смеси и сгорание с контролем смесеобра­зования. В зависимости от рабочего состояния и диапазона эти процессы имеют различные временные составляющие (см. рис. «Сгорание топлива в дизельном двигателе» ).

Влияние давления в цилиндре менее значи­тельно, по сравнению с влиянием темпера­туры. Однако, увеличение давления также несколько снижает величину задержки за­жигания. Топливо, впрыснутое в течение за­держки зажигания, пока что не сгорает. Вели­чина задержки зажигания может составлять от 0,1 мс при работе двигателя в диапазоне номинальной выходной мощности до более 10 мс после пуска холодного двигателя.

Продолжительность задержки зажигания определяет процесс сгорания предвари­тельно приготовленной смеси. Чем продолжительнее задержка зажигания, тем больше топлива смешивается в воспламеняемой форме. Эта масса топлива может превышать 20 мг на один литр рабочего объема. Горе­ние, как правило, начинается на краю струи топлива, где топливо очень хорошо переме­шано с воздухом, и, следовательно, имеют место оптимальные для горения условия в отношении температуры и λ. В резуль­тате экзотермической реакции происходит местное повышение температуры до более чем 2300 К, которое быстро инициирует за­жигание еще несгоревшего, предварительно смешанного с воздухом топлива. При этом скорость горения определяется происходя­щими химическими реакциями. Самоускоряющаяся цепная реакция вызывает чрезвы­чайно быстрое сгорание топлива с высокими градиентами возрастания давления. По этой причине масса предварительно смешанного, преобразованного топлива на дизельных двигателях должна быть как можно меньше. Это обычно достигается путем предваритель­ного впрыска топлива, локальное сгорание которого вызывает начальное повышение температуры, снижающее эффект задержки зажигания топлива на стадии последующего основного впрыска.

Количество предварительно смешанного топлива может составлять от менее 1 % в диапазоне полной нагрузки до 100 % в диапазоне минимальной нагрузки. Остальное топливо сгорает в режиме контроля смеси. В отличие от сгорания предварительно смешанного топлива, во время сгорания в режиме контроля смеси, также называе­мого диффузионным сгоранием, скорость преобразования топлива определяется про­цессом переноса кислорода в зону горения. При этом трудно разделить зоны сгоревшего и несгоревшего топлива, поскольку четко определенный фронт пламени отсутствует. В основном диффузионное пламя устанав­ливается на краю струи, в ограниченном диапазоне, при 0,8<λ<1,4. При изменении граничных условий (например, условий даль­нейшего испарения топлива, переноса кисло­рода, контакта со стенками цилиндра) зона реакции также сдвигается в ту сторону, где преобладают локальные стехиометрические условия (см. рис. «Процесс сгорания в режиме контроля смеси» )

Сгорание в режиме контроля смеси преоб­ладает в диапазоне высоких нагрузок, когда имеет место впрыск большого количества топлива. Здесь процессы смесеобразования и сгорания протекают параллельно. Так же как при сгорании предварительно смешан­ного топлива, на скорость преобразования может оказывать влияние процесс впрыска. Меньшее, однако также ускоряющее влияние оказывают повышение температуры и давления, а также снижение содержания инертных газов. Доминирующими факторами явля­ются смесеобразование и перенос кислорода в зону горения за счет высокой локальной турбулентности.

По этой причине интенсивность турбу­лентности является определяющей пере­менной величиной в процессах сгорания топлива в дизельных двигателях. Турбу­лентность способствует созданию высоких давлений впрыска с высокой кинетической энергией струи топлива, которая в дальней­шем преобразуется в турбулентную кинети­ческую энергию. Локальная турбулентность вызывает быстрый перенос кислорода в ло­кальные зоны реакций. Это явление также поддерживается движением заряда топлива в цилиндре (горизонтальные завихрения, потоки сжатия), однако основной вклад осуществляется импульсом впрыскиваемой струи топлива. Так же как повышение давле­ния впрыска, можно рассмотреть целесоо­бразность увеличения диаметра отверстий. Однако увеличение скорости впрыска при­водит в основном к локальному переобогащению смеси, что отрицательно влияет на преобразование топлива.

Холодный пуск дизельных двигателей пред­ставляет собой особую проблему, в особен­ности при температурах наружного воздуха ниже -10 °С. При частоте проворота двигателя стартером менее 100 мин^-1 большая часть за­ряда топлива просачивается через поршневые кольца вовремя относительно медленной фазы сжатия. Кроме того, низкая температура в цилиндре увеличивает тепловые потери че­рез стенки. Результатом являются низкие пи­ковые давления (ниже 30 бар) и, в зависимо­сти от температуры наружного воздуха, низкие пиковые температуры (ниже 400 °С).

Испарение топлива в положении верх­ней мертвой точки вызывает дальнейшее охлаждение. Это приводит к очень большим задержкам зажигания. В крайних случаях зажигание вообще может отсутствовать, и топливо может накапливаться в цилиндре на протяжении нескольких рабочих ци­клов. Его зажигание после нескольких ра­бочих циклов, вследствие большой массы накопленного топлива, может приводить к созданию очень больших пиковых давлений свыше 150 бар.

Поскольку фаза холодного пуска не обе­спечивает времени, достаточного для над­лежащего гидродинамического образования пленки смазочного масла в опорных точках коленчатого вала, это оказывает негативное влияние на механические системы двига­теля. Отсюда следует, что облегчить процесс холодного пуска могут такие меры, как по­догрев поступающего в двигатель воздуха, смазочного масла или охлаждающей жидко­сти. Последнее, так же как повышение тем­пературы в камере сгорания, снижает трение в двигателе, что дает увеличение скорости проворота двигателя стартером.

С еще одним явлением приходится стал­киваться во время работы при очень высо­ких температурах наружного воздуха или на высоте более 1000 м над уровнем моря. Поскольку воздух имеет более низкую плот­ность, масса находящегося в цилиндре воздуха уменьшается. Вначале это не оказывает существенного влияния на процесс сгорания топлива. Однако, уменьшение количества избыточного воздуха вызывает повышение температуры отработавших газов.

Это явление также имеет место на двигате­лях с турбонаддувом. Поэтому необходимой мерой, прежде всего при работе на большой высоте, может быть снижение нагрузки.

По истечении периода приработки на ди­зельных двигателях наблюдается падение мощности порядка 1-3%. Причина этого заключается в системе впрыска топлива. Отложения нагара в топливных форсунках вызывают некоторое уменьшение диаметра отверстий форсунок, что приводит к сниже­нию массового расхода и, следовательно, к потере мощности. Эти отложения могут быть вызваны, например, высоким содержанием в дизельном топливе меди, цинка или иных загрязняющих веществ.

В отличие от двигателей с искровым зажига­нием, оборудуемых каталитическими нейтра­лизаторами отработавших газов, работаю­щими при λ = 1, значительно снижающими количество выбросов, в отношении дизель­ных двигателей значительно большее значе­ние имеет снижение образования токсичных продуктов в самом двигателе. Кроме продук­тов горения топлива, присущих двигателям с искровым зажиганием, таким как СO₂, Н₂O, NO_x, НС и СО, следует также учитывать вы­бросы сажи и твердых частиц.

Снижение давления впрыска топлива или концентрации кислорода, как правило, вы­зывает увеличение содержания в выбросах сажи. Образование сажи является сложным процессом, зависящим как от гидродинами­ческих, так и термодинамических граничных условий. Вначале значительное количество сажи образуется в зонах локального обогаще­ния смеси (λ < 1), однако в ходе последую­щих процессов сгорания топлива количество сажи уменьшается более чем на 70% за счет процессов окисления. Очень большое значе­ние имеет высокий уровень турбулентности, способствующий окислению сажи на стадии расширения. Однако, важную роль играет также уровень температуры. В целом на про­цесс образования сажи оказывают влияние локальные взаимодействия между струей впрыскиваемого топлива, зоной горения, не­сгоревшей смесью, геометрией поршня и протеканием процесса сгорания топлива.

Содержание в выбросах оксидов азота снижают меры, направленные на снижение температуры, такие как рециркуляция отработавших газов, процессы Миллера  или частичная гомогенизация. Все это с избытком компенсирует наблюдаемое при этом увеличение содержания сажи (см. рис. «Выбросы NO и сажи» ). Уровень сложности и затрат, необ­ходимых для снижения содержания обоих этих компонентов, весьма высок. В настоя­щее время все более широко применяется рециркуляция отработавших газов, для сни­жения содержания оксидов азота в сочета­нии с очень высокими давлениями впрыска (> 2000 бар).

В этом контексте следует различать вы­бросы сажи и выбросы твердых частиц. Сажа состоит из чистого углерода, в то время как твердые частицы также содержат капельки топлива или масла, частицы металла, про­дукты коррозии и сульфаты.

Соединения НС и СО обычно не имеют большого значения в отношении выбросов дизельных двигателей. Тем не менее, следует учитывать влияние на выбросы твердых ча­стиц углеводородов. В частности, происходит увеличение концентрации НС и СО в случае значительного сдвига момента зажигания в сторону запаздывания, сопровождаемого неполным сгоранием топлива.

Классическая стратегия управления дизель­ным двигателем характеризуется одним или более впрысками топлива в диапазоне ВМТ. Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием характеризуются гомогенным или частично гомогенным (по­слойным) смесеобразованием. В настоящее время разрабатываются альтернативные формы управления процессами, которые не могут быть однозначно связаны только с бензиновыми или только дизельными дви­гателями.

Что касается процессов HCCI (воспламенение от сжатия гомогенного заряда топлива), ко­торым был посвящен ряд публикаций, целью является, посредством значи­тельного опережения момента впрыска (как минимум 40-50° угол поворота коленчатого вала до ВМТ) достичь гомогенизации, значи­тельного обеднения смеси и, следовательно, снижения содержания NO_x в выбросах. При этом надежное зажигание, тем не менее, бу­дет иметь место, благодаря высокой темпе­ратуре сжатия. В целях обеспечения контроля процесса сгорания степень сжатия должна быть снижена до 14-16. Для повышения тем­пературы в цилиндре при низких нагрузках обычно используется рециркуляция отрабо­тавших газов. Тем не менее, получить опти­мальные условия во всем диапазоне условий, в особенности в диапазоне высоких нагрузок достаточно трудно, поскольку при этом становятся очень высокими градиенты возрас­тания давления, и управление работой двига­теля в переходных режимах становится очень сложной задачей ввиду большого количества всех возможных состояний двигателя.

Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием были исследованы в отношении возможности использования ре­жима HCCI, аналогично дизельным двигате­лям, с целью достижения недросселированного обеднения смеси в диапазоне частичных нагрузок, что дает снижение расхода топлива по сравнению с двигателями, работающими в обычном стехиометрическом режиме. Не­достатки работы на обедненной смеси в отношении процессов преобразования в каталитическом нейтрализаторе компенси­руются чрезвычайно низким содержанием необработанных оксидов азота NO_x, благо­даря обеднению смеси. Надежное зажигание трудновоспламеняемой смеси достигается за счет высокой степени сжатия — свыше 13. Оптимальная степень сжатия является пере­менной величиной и может быть снижена за счет повышения температуры в камеры сгорания.

Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием с прямым впрыском топлива и послойным распределением за­ряда топлива имеют много общего с про­цессами в дизельных двигателях и, следо­вательно, представляют собой смешанную форму процессов, имеющих место в обыч­ных двигателях с искровым зажиганием и дизельных двигателях. Процессы сгорания топлива этого типа находят все более широ­кое применение, благодаря их более высо­кой эффективности в диапазоне частичных нагрузок, достигаемой за счет исключения дросселирования.

Многотопливные двигатели, характеризую­щиеся возможностью использования раз­личных видов топлива, в настоящее время не играют важной роли в связи с невозможно­стью выполнения требований в отношении содержания вредных продуктов в отработавших газах.

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Метод совершенствования процесса смесеобразования быстроходного дизеля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

№ 8 2006

ТРАНСПОРТНОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ

621.436

МЕТОД СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ БЫСТРОХОДНОГО ДИЗЕЛЯ

Д-р техн. наук СП. ДЕВЯНИН, д-р техн. наук В.А. МАРКОВ, аса. А.В. МИКИТЕПКО

Рассмотрены особенности процесса смесеобразования в дизельных двигателях с неразделенными и полуразделенными камерами сгорания. Предложены конструкции поршней, обеспечивающие направленное движение am душного заряди в камере сгорания дизеля. Проведены экспериментальные исследования, подлшердивщие эффективность их использования для снижения расхода топлива и дым пост и отработав-i и их газ о в тр а испорти о г о д и з ел я.

Features of car hu ret ion process in dies el engines with поп divided and semi-divided combustion chambers are examined. Designs of the pistons providing ordered air motion in the combustion chamber of a dies el engine are offered. The experimental researches which have confirmed efficiency of their use for decrease in fuel consumption and smoking о f exha list gases o f a tf •a11spоrt diesel engine aiv gi \ ye11.

В настоящее время в России ежегодно потребляется около 100 млн. тонн моторных топлив. При этом автомобильный транспорт — один из основных потребителей нефтепродуктов и останется главным потребителем моторных топлив на период до 2040— 2050 nr. Современный мировой автомобильный парк насчитывает более 700 млн. единиц автомобилей и продолжает быстро расти. При этом подавляющее большинство автомобилей оборудуется либо бензиновыми двигателями с принудительным воспламенением (искровым зажиганием) бензовоздушной смеси, либо дизельными двигателями с воспламенением рабочей смеси от теплоты сжатия [I, 2].

Все большее распространение получают дизельные двигатели, причем зарубежные автомобилестроительные фирмы применяют их не только на грузовых автомобилях большой и средней грузоподъемности, автобусах, которые традиционно оснащаются такими двигателями, но и расширяют применение дизелей на легковых и малотоннажных грузовых автомобилях. По данным фирмы Perkins (Великобритания) на 53 % новых французских и 20 % новых немецких легковых автомобилей устанавливаются дизельные двигатели. По результатам исследований фирмы Peugeot (Франция) 62 % покупателей во Франции и 29,8 % в Европе предпочитают автомобиль с дизелем [2, 3]. Доля продаж легковых автомобилей с дизельными двигателями в Европе в 1970 г. составила 1,3 %, в 1992 г. — 15 %, в 2000 г. — 30 % (рис. 1). Сектор транспортных средств с дизельными двигателями в ближайшей перспективе также будет возрастать и их доля к 2007 г. составит около 50%. При этом следует отметить, что действительный рост числа легковых автомобилей с дизелями в Европе превышает прогноз увеличения их количества. В целом в настоящее время в мире ежегодно производится около 13 млн. автомобилей с дизельными двигателями и их выпуск продолжает увеличиваться.

26 Известия вузов. МАШИНОСТРОЕНИЕ

~№~8! ‘ Ш6

Рис. 1. Динамика изменения объема продаж и доли легковых автомобилей с дизельными двигателями в Европе: I действительный объем продаж дизелей; II…………прогнозируемый объем продаж; I действительная доля автомобилей с дизельными двигателями; 2 — прогнозируемая доля

Такие темпы дизелизадии автомобильного транспорта обусловлены более низкой стоимостью дизельного топлива по сравнению с автомобильными бензинами, а также лучшей топливной экономичностью дизелей и меньшей токсичностью их отработавших газов (ОГ) по сравнению с бензиновыми двигателями [2. 3]. По способу организации рабочего процесса различают дизели с разделенными камерами сгорания (КС) — пред-камерные и вихрекамерные двигатели, двигатели с неразделенными КС (дизели с непосредственным впрыскиванием топлива) и двигатели с полуразделенными КС (с камерами в поршне). Наилучшей топливной экономичностью обладают дизели с неразделенными и полуразделенными КС, о чем свидетельствуют данные рис. 2. Сравнение характеристик топливной экономичности автомобилей, оснащенных двигателями различных типов, показывает, что в дизелях с неразделенными КС расход топлива в среднем на 15—25 % меньше расхода топлива в бензиновых двигателях.

На современном этапе развития двигателе строения к двигателям внутреннего сгорания предъявляются все более жесткие требования к токсичности их ОГ. Эффективным путем достижения требуемых показателей токсичности ОГ является совершенствование процесса смесеобразования [2—5]. Смесеобразование в дизелях с неразделенными и полуразделенными КС и непосредственным впрыскиванием топлива осуществляется как за счет энергии впрыскиваемого в КС топлива, так и за счет энергии движения воздушного заряда. п

№ 8 2006

800 1000 1200 1400 1600 1800

масса автомобиля, кг

Рис. 2. Характеристики расхода топлива автомобилей с двигателями различных типов:

/ -…..двигатели с искровым зажиганием; 2 двигатели с искровым зажиганием, работающие па бедных

смесях; 3 дизели с разделенными КС; 4 дизели с неразделенными КС

различными путями [6-8]. При использовании в двигателе камеры сгорания в поршне вихревое движение воздуха возникает в цилиндре к концу сжатия, когда при движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) воздух вытесняется из падпоршневого пространства цилиндра в КС в поршне с меньшим поперечным сечением. Однако интенсивность такого вихря не всегда бывает достаточной. В этом случае для организации дополнительного вращательного движения воздушного заряда в цилиндре (осевого вихря) профилируют соответствующим образом впускной капал, устанавливают на впускном клапане ширму или используют другие способы обеспечения вращательного движения воздуха.

Вихревое движение воздушного заряда способствует более равномерному распределению топлива по объему КС, его лучшему испарению и многоочаговому характеру воспламенения, т.е. лучшей подготовке топлива к воспламенению и сокращению периода задержки воспламенения (ПЗВ). Раннее тепловыделение при интенсификации движения воздуха приводит к увеличению времени, отводимого на процессы окисления продуктов неполного сгорания во время хода расширения, что сокращает выбросы монооксида углерода СО, газообразных углеводородов СНХ, сажи С (снижает дымность О Г Кх) и улучшает топливную экономичность. Одновременно в результате более раннего сгорания оно приближается к ВМТ, температуры сгорания увеличиваются и эмиссия оксидов азота 1МОх может несколько возрасти.

Следует отметить, что на режимах с малыми подачами топлива и низкой частотой вращения обычно наблюдается значительное ухудшение качества распиливания топлива и, как следствие, ухудшение показателей рабочего процесса дизеля. Поэтому организация вихревого движения заряда наиболее целесообразна именно на этих режимах Причем, для достижения наибольшей эффективности процессов смесеобразования и последующего сгорания желательна совместная оптимизация топливоподачи и вихревого движения воздуха, т.е. рациональный выбор уровня давления впрыскивания, направления и интенсивности движения воздушного заряда па каждом режиме работы транспортного дизеля.

Для повышения энергии смесеобразования и улучшения его качества в дизелях производства Алтайского моторного завода (АМЗ), имеющих камеру сгорания в поршне (типа АМЗ) авторами было предложено несколько опытных конструкций поршней, обеспечи-

№ 8

2006

вающих направленное движение воздушного заряда в цилиндрах за счет выполнения профилированных каналов на его верхней торцовой поверхности — на днище поршня (рис. 3). При этом направление движения воздушного заряда согласуется с направлением топливных струй, впрыскиваемых в КС через четырехсопловую форсунку типа 6А1. Для оценки эффективности предложенных конструкций были изготовлены накладки на поршни с выполненными на их торцовой поверхности профилированными каналами различной формы (рис. 4). Опытные поршни с этими накладками представлены на рис. 5.

Рис. 3. Камеры сгорания исследуемого дизеля 1 ЧН 13/14: а — серийная КС; б— опытная КС № 1 с ради-

алыю направленным движением воздушного заряда; в……опытная КС № 2 с тангенциально направленным

движением воздушного заряда; г опытная КС № 3 с тангенциально направленным движением воздушного заряда, выполненная без острых кромок профилированных каналов

Рис. 4. Накладки на поршни с различными КС: / — серийная КС; 2

.? опы тная КС № 2

опытная КС № 1;

№ 8 2006

Серийная КС в поршне диаметром d = 80 мм и глубиной Л = 24 мм обеспечивает степень сжатия е = 15 (рис. 3, а). В опытных вариантах поршней диаметр КС в поршне был уменьшен до d = 76 мм с тем, чтобы сохранить неизменной степень сжатия г 15 при выполнении профилированных каналов на днищах опытных поршней.

Первый опытный вариант конструкции поршня (опытная КС № I) обеспечивает направление воздушного заряда к стержню струи топлива для увеличения доли окислителя (кислорода) в центральной части топливных струй. Это достигается выполнением на днище поршня в его периферийной части четырех радиально расположенных трапециевидных каналов с углом при вершине <р = 30°, сужающихся в направлении центрально расположенной КС (рис. 3, 6). Пересечения этих каналов с боковой поверхностью КС в поршне имеют высоту 10 мм и ширину 3 мм. но поршень выполнен без острых граней в направляющем воздушном канале с тем, чтобы снизить теплонапряженность острых кромок профилированных каналов (рис. 3, г).

Для сравнения показателей дизеля с поршнями предложенных конструкций и оценки возможности оптимизации давления впрыскивания и характера движения воздушного заряда были изготовлены опытные поршни (рис. 3—5) и проведены экспериментальные исследования дизеля с этими поршнями. Объектом такого исследования являлся опытный дизельный двигатель автотракторного назначения, разработанный на базе двигателя типа А-1 ITA (6 411 13/14) производства АМЗ с диаметром поршня I) = 130 мм, его ходом S = 140 мм и мощностью /V, = 200 кВт при частоте вращения коленчатого вала п = 1900 мин»1. Двигатели этого типа имеют систему газотурбинного па;щува, обеспечивающую на номинальном режиме давление наддува ру :: 0,20 N411а (избыточное), и разделенную топливную систему непосредственного впрыскивания топлива.

ЛГв ■ ~2Ш

Моторные исследования проведены на одноцилиндровой установке этого двигателя (1 ЧН 13/14) с рабочим объемом = 1,86 дм3, оборудованной механизмами изменения фаз газораспределения и угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ). При испытаниях были установлены следующие фазы газораспределения: открытие впускного клапана — 40° поворота коленчатого вала (п.к.в.) до верхней мертвой точки (ВМТ), его закрытие ■— 40° п.к.в. после ВМТ, открытие выпускного кладана — 75° п.к.в. до нижней мертвой точки (НМТ), его закрытие — 25° п.к.в. после НМТ. Механизм изменения УОВТ позволял варьировать момент начала впрыскивания в диапазоне 0 = 25—45° п.к.в. до ВМТ (статический УОВТ).

Рис. 6. Зависимость максимального давления в штуцере ТНВД рт тах и остаточного давления в нагнетательном топливопроводе /;осг от давления гидродогружения форсунки р на режиме (¡»частотой вращения кулачкового вала насоса пш = 950 мин1 и цикловой «подачей топлива ди — 130 мм1

Установка имела автономную систему подачи воздуха, позволяющую изменять давление наддувочного воздуха рк от 0 до 0,25 МПа при температуре Тк — 50—80° С.РТ =1,1.

Система топливоподачи состояла из блочного топливного насоса высокого давления (ТНВД) семейства ТН с плунжером диаметром с!п1 = 10 мм и полным ходом Лпч= Ю мм. Интенсивность впрыскивания в процессе испытаний изменялась за счет гидродогружения форсунки от дополнительного насоса, работающего на гидроаккумулятор и приводимого от коленчатого вала одноцилиндровой установки. Такая система топливоподачи позволяла изменять давление в гидроаккумуляторе р(Ьг от 0 до 36 МПа, что приводило к увеличению максимального давления топлива в линии высокого давления (максимального давления в штуцере ТНВД —рти тах) от 27 до 80 МПа (рис. 6). Впрыскивание томлива в КС дизеля осуществлялось через форсунку типа 6А1 производства АМЗ с распыли-

Л& Я 2006

тел ем с четырьмя раепыливающими отверстиями, расположенными равномерно по окружности носка распылителя и имеющими суммарное эффективное проходное сечение ^=0,31 мм2.=9 и 18 МПа угол опережения впрыскивания топлива был равным 0 = 37—38° и.к.в. до ВМТ, при р¥= 27 МПа — 0 = 36,5° п.к.в. до ВМТ, при рфг = 36 МПа — 0 = 35° и.к.в. до ВМТ.

В процессе моторных исследований измерялись штатные параметры двигателя: частота вращения коленчатого вала двигателя п (кулачкового вала ТПВД //.ш), эффективная мощность двигателя Nc (крутящий момент М ), часовой расход топлива (7Т, расход воздуха GH, давлениерк и температура Тк наддувочного воздуха, давление ОГ/;г и их температура Тг> ряд других штатных параметров. Кроме того, с помощью измерительного комплекса фирмы AVL (Австрия) индицировалось давление нагнетания топлива в штуцере ТПВД (при испытаниях давление нагнетания топлива индицировалось у ш туцера ТНВД, а не на входе в форсунку, что объясняется особенностями присоединения топливопровода к форсунке б А 1 и сложностью установки около нее датчика давления). Характеристики максимального давления в штуцере ТНВД ртишах и остаточного давления р (давление в линии нагнетания между впрыскиваниями) представлены на рис.. оказывает более заметное влияние на топливную экономичность двигателя и дымность его ОГ Кх. Увеличение давления рфг до 36 МПа позволяет сократить удельный эффективный расход топлива на 5 г/(кВт-ч) и более во всем диапазоне нагрузок. Причем с увеличением нагрузки выше N = 22 кВт улучшение топливной экономичности (снижение составило уже от 10 до 25 г/(кВт-ч). При этих нагрузках температура ОГ снижается на 50—70 К по сравнению с работой двигателя без гидродогружения форсунки. Переход от /;фг= 0 МПа к /;фг = 36 МПа сопровождается снижением дымности ОГ в пять и более раз во всем диапазоне нагрузок. При давлении гидродогру-

Рис. 8. Зависимость коэффициента избытка воздуха а, удельных индикаторного gj и эффективною <;с расходов топлива, дымности О Г ЛГ. от нагрузки (эффективной мощности И) дизеля 1 ЧН 13/14 с поршнем с опытной КС № 1 на режимах с п= 1900 мин»1 и различных давлениях гидродогружения форсунки р МПа: 1 0;

2— 18; 3 ~ — 36

2006

жения РфГ=36 МПа максимально достигаемая нагрузка составила Ne = 35 кВт, дымиость ОГ достигла величины К ~ 30 %, а удельный эффективный расход топлива — ge = 250 г/(кВт-ч).г и монотонно увеличивались с 11,5 до 14,3 МПа в диапазоне нагрузок N(> от 6 до 35 кВт, температура ОГ Т01 возросла в этом случае с 500 до 920 К.

Результаты экспериментальных исследований двигателя с поршнем с опытной КС № 3, приведенные на рис.10, оказались достаточно близкими к результатам, полученным при использовании опытной КС № 2. Увеличение давления гидродогружения форсунки Рфг и в этом случае оказывает более заметное влияние па параметры двигателя, чем при установке поршней с серийной КС и с опытной КС № 1: отмечено значительное снижение расходов топлива gi и # , температуры Т и дымности Кх ОГ во всем диапазоне исследованных нагрузочных режимов. В частности, при испытаниях двигателя с поршнями с опытными КС № 2 и № 3 отмечено снижение удельного эффективного расхода топлива в среднем на 3 г/(кВт-ч) на каждые 10 МПа увеличения давления нагнетания /лП| тах. Причем наиболее существенное снижение указанных параметров имело место при на-

№8

2006

10 14 18 22 26

Рис. 9. Зависимость коэффициента избытка воздуха а, удельных индикаторного g и эффективного gl расходов, топлива, дымности ОГ Кх от нагрузки (эффективной мощности тУ.) дизеля 1 ЧН 13/14 с поршнем с опытной КС № 2 на режимах с п = 1900 мин»1 и различных давлениях гидродогружения форсунки /;ф| , МПа: 1 — 0;

2-…..- 18; 3 — 36

грузках Ne > 14 кВт. На нагрузочном режиме е Ne = 34 кВт увеличение давления рф г с 18 до 36 МПа приводит к уменьшению удельного эффективного расхода топлива g, с 255 до 250 г/(кВт-ч), а дымности ОГ Кх — с 48 до 28 %.

В таблице приведены сравнительные результаты испытании дизеля 1 Ч-Н 13/14 с поршнями с серийной и опытными КС. Из данных таблицы следует, что минимальные значения удельных индикаторного gi и эффективного ge расходов топлива достигнуты при давлении гидродогружения /?фг = 18 МПа, которое обеспечивает давление нагнетания (дав-ление в штуцере ТНВД) не нижер.ттях= 52 МПа. Однако такое давление впрыскивания не обеспечивает наилучших показателей дизеля по дымности его ОГ из-за не/достаточно высокого качества процесса смесеобразования. С этой точки зрения предпочтительнее давление гидродогружения рк = 36, позволяющее повысить максимальное давление в штуцере ТНВД рти тах до 80 МПа (рис. 6).

Результаты проведенных испытаний подтвердили улучшение показателей дизеля при использовании поршней предложенных конструкций. В частности, замена штатного поршня опытным по первому варианту и одновременная оптимизация давления впрыскива-

№8

2006

10 14 18 22 26 30 Ме, кВт

Рис.10. Зависимость коэффициента избытка воздуха а, удельных индикаторного и эффективного ge расходов топлива, дымное ги О Г К, от нагрузки (эффективной мощности А^) дизеля 1 ЧН 13/14 с поршнем с опытной КС № 3 на режимах с п = 1900 мин»1 и различных давлениях г и дро догружения форсунки /; , МПа:

/…………0; 2……..18; 3…….-36

ния в дизеле, работающем на режиме с частотой вращения п = 1900 мин-1, нагрузкой /V, -34 кВт и давлением гидродогружения р([>3—36 МПа, позволили снизить удельный эффективный расход топлива §е с 266 до 247 г/(кВт-ч), т.е. на 7,1 %, при уменьшении дымности ОГ Кх с 57 до 50 % по шкале Хартриджа. Опытные поршни по второму варианту в этих условиях также снижают g до 247 г/(кВт ч) при одновременном снижении Кх до 25% по шкале Хартриджа. Опытные поршни по третьему варианту обеспечили = 250 г/(кВт-ч) и Кх= 28 % по шкале Хартриджа. Таким образом, на номинальном режиме с/>.= 36 МПа наименьшие значения удельного эффективного расхода топлива = 247 г/(кВт-ч)) достигнуты при установке поршней с опытными КС № 1 и 2, а минимальные значения дымности ОГ (Кх = 25 %) — с опытной КС № 2. Улучшение показателей дизеля при оптимизации давления впрыскивания и движения воздушного заряда достигнуто и на других режимах работы дизеля.

Проведенные исследования еще раз подтверждают, что совместная оптимизация давления впрыскивания и интенсивности движения воздушного заряда на каждом режиме работы транспортного дизеля позволит заметно улучшить экономические и экологи-

]\Го $ • ~ 2006

ческие показатели отечественных дизельных двигателей и сократить имеющееся, отставание этих двигателей от зарубежных аналогов.

Таблица

Показатели двигателя 6 ЧН 13/14 семейства АМЗ с камерами сгорания различных типов

Показатели дизеля Камеры сгорания

серийная (данные рис.7) опытная № 1 (данные рис.8) опытная № 2 (данные рис. 9) опытная № 3 (данные рис.10)

Минимальный достигнутый уровень удельного индикаторного расхода топлива gi (при рф Г=18 МПа), г/(кВт ч) 181 167 169 170

Минимальный достигнутый уровень удельного эффективного расхода топлива 8с (при рф Г=18 МПа), г/(кВт ч) 242 238 238 241

Показатели ~Ne = 3′ двигателя на номинальном режиме при кВт, п = 1900 мин»1 ирфГ= 36 МПа

Удельный эффективный расход топлива ge, г/(кВт-ч) 266 247 247 250

Дымность ОГ Кх, % (по шкале Хартриджа) 57 50 25 28

Температура ОГ, К 970 930 900 890

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / В.П. Алексеев, В.Ф. Воронин, JI.B. Грехов и др. Под ред. A.C. Орлина, М.П Круглова. — М.: Машиностроение, 1990. — 288 с.

2. Грехов Л. В., И в а щ е н к о Н. А., М а р к о в В. А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей. — М.: Изд-во «Легион-Автодата», 2004. — 344 с.

3.- Марков В. А., Б а ш и ров Р. М., Г а б и т о в И. И. Токсичность отработавших газов дизелей. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. — 376 с.

4. К а м ф е р Г. М. Анализ и подбор конструктивных элементов камеры сгорания при оптимальных условиях смесеобразования // Двигателестроение. — 1986. — № 6. — С. 17—20.

5. Лебедев О. Н., Ч и р к о в С. Н. Теоретические основы процессов смесеобразования в дизелях. Новосибирск: Государственная академия водного транспорта, 1999. — 369 с.

6. Г е р ш м а н И. И., Л е б с д и н с к и й А. П. Многотопливные дизели. — М.: Машиностроение, 1971. — 184 с.

7. К а м ф с р П М., С е м е н о в В. Н., Степаненко A.C. Интенсивность вращения воздушного заряда при различных конструкциях впускного канала и камеры сгорания // Двигателестроение. 1986. № 9.

С. 6…..8.

8. В о л о д и н В. М., Д а в ы д к о в Б. Н. Некоторые возможности улучшения показателей дизелей с камерой сгорания, расположенной в поршне // Тракторы и сельхозмашины. 1970. — № 12. С. 12 14.

Смесеобразование в дизельных двигателях при различных камерах сгорания

Смесеобразование в дизельных двигателях осуществляется в камере сгорания, куда в конце такта сжатия форсункой впрыскивается топливо. С учётом продолжительности впрыска, составляющей 20-30 град. поворота коленчатого вала, время, которое отводится на смесеобразование у дизельных двигателей значительно меньше, чем у двигателей карбюраторных. Поэтому в дизельных двигателях приходится прибегать к дополнительным мерам по организации качественного перемешивания топлива с воздухом.

В вихрекамерных дизельных двигателях, где перемешивание достигается за счёт вращательного движения воздуха в камере сгорания, то есть вихря, давление начала впрыска не более 12,5 МПа и впрыскивание осуществляется посредством однодырчатой форсунки.

В дизельных двигателях, которые имеют камеру сгорания в поршне, закрутка воздуха предусмотрена при его входе в цилиндр посредством специальных устройств, при этом всё равно необходимо повышать давление начала впрыска топлива до значения в 17,5-18,5 МПа, а также использовать многодырчатые распылители форсунок.

В современных автотракторных дизельных двигателях (при номинальной мощности) коэффициент избытка воздуха (α) находится в пределах 1,5-1,8.

Схема питания дизельного двигателя [рис. 1] состоит из топливного бака (11), фильтров (9) и (17), подкачивающего насоса (14), топливного насоса (18), форсунок (3) и трубопроводов высокого (4) и низкого (7), (12) и (15) давления. Также к системе питания относится воздушный фильтр (1), впускные и выпускные патрубки, а также глушители шума выпуска.

Рис. 1. Схема системы питания дизельного двигателя.

1) – Воздухоочиститель;

2) – Трубопровод;

3) – Форсунка;

4)-5) – Трубопровод;

6) – Вентиль для спуска воздуха;

7)-8) – Трубопровод;

9) – Фильтры тонкой очистки;

10) – Трубопровод;

11) – Топливный бак;

12) – Трубопровод;

13) – Пробка;

14) – Подкачивающий насос;

15) – Трубопровод;

16) – Насос ручной прокачки топлива;

17) – Фильтр грубой очистки;

18) – Топливный насос с регулятором.

17*

Похожие материалы:

Совершенствование процесса смесеобразования в дизельном двигателе и его влияние на экологию

Проблема экологичности двигателей внутреннего сгорания появилась давно, уменьшение вредных выбросов в атмосферу и безопасность использования транспортных средств, вот две проблемные области, связанные с применением автомобилей и тракторов.

Если считать, что основными двигателями внутреннего сгорания применяемыми в автомобильной и тракторной технике являются бензиновые, дизельные и появившиеся чуть позднее газотопливные двигатели и не так давно газодизель, то и рассмотрим их, а более конкретно, рассмотрим вопрос применения дизельных двигателей и возможное улучшение экологических показателей.

Как известно, процесс смесеобразования в дизельных двигателях отличается от процесса смесеобразования в бензиновых двигателях.

В бензиновых двигателях горючая смесь готовится сначала в карбюраторе, а затем в цилиндре, в такте впуска и сжатия, примерно такая же схема образования топливной смеси у впрысковых (инжекторных) двигателей, только вместо карбюратора используются форсунки, а у дизельных двигателей, процесс смесеобразования происходит в камере сгорания, в конце такта сжатия за 10–20˚ угла поворота коленчатого вала до ВМТ и за 0,002–0,01 секунды, что примерно в 5 раз меньше чем у карбюраторного или инжекторного двигателя, это и определяет более жёсткую работу дизельного двигателя по отношению к бензиновому, а полнота сгорания дизельного топлива обеспечивает экологичность, чем выше давление, температура, тем выше и КПД, при этом конечно необходимо учитывать и цетановое число. Система смесеобразования дизельного двигателя обеспечивает:

—        Распыление топлива;

—        Развитие топливного факела;

—        Прогрев, испарение и перегрев топливных паров;

—        Смешивание паров с воздухом.

Развитие смесеобразования и получение оптимальных результатов в дизеле зависит от нескольких факторов, например:

—        Способа смесеобразования, формы камеры сгорания, размеров камеры сгорания, температуры поверхности камеры сгорания, от направления движения топливных струй и воздушного потока.

Существует несколько вариантов создания воздушного потока, наиболее благоприятного для смесеобразования в дизельном двигателе.

Рассмотрим применяемые способы образования воздушного потока в цилиндре при такте впуска.

Наиболее простой и давно применяемый способ, это создание тангенциального впускного канала перед клапаном (рисунок 1). Такой впускной канал создаёт поток воздуха в виде завихрения направленного как вдоль цилиндра, так и по радиальному направлению.

Рис. 1.

Такой способ является относительно эффективным, но способ получения такого канала литьём в форму, это сложный и дорогостоящий процесс изготовления самой формы, да и проведение самого литья процесс не простой, а это приводит к увеличению стоимости головки блока цилиндров.

Также применяется винтовой впускной канал (рисунок 2), что очень похоже на предыдущий способ, но форма канала немного сложнее. Здесь трудности те же, что и в первом случае.

Рис. 2.

Оба эти способа, кроме сложности и увеличения стоимости, имеют ещё один главный недостаток, и в первом и втором случае воздушный поток закручивается до клапана, а это означает, что пройдя через узкий зазор между клапаном и седлом клапана воздушный поток, хотим мы этого или нет, будет сильно подрегулирован и форма завихрения изменится, поток будет частично выровнен.

Следующий способ создания воздушного потока, это установка отражателя (рисунок 3). Отражатель находится частично на пути движения воздуха и закручивает поток в заданном направлении.

Отражатель (его ещё называют экраном) может быть установлен как на тарелке клапана с внутренней стороны, так и на седле клапана, но со стороны обращённой в камеру сгорания.

Рис. 3.

Такой способ наверное более оптимальный, нет дорогого литейного оборудования, воздушный поток формируется (завихряется) на входе в цилиндр и препятствий на пути нет.

При проведении исследовательских работ на лабораторном стенде было предложено установить завихритель (рисунок 4 и 5) в свободное пространство между седлом клапана и направляющей втулкой клапана. Изделие состоит из двух колец, наружного и внутреннего, соединённых лопастями. Изделие может быть установлено при сборке ГБЦ или при ремонте ГБЦ под седло клапана. Данное устройство позволит создать вихревой поток воздуха при движении его в такте впуска. В связи с тем, что дизельные двигатели имеют разнообразные по форме камеры сгорания, то количество лопастей и угол наклона необходимо определять для каждой конструкции камеры.

Рис. 4.

Рис. 5.

Подобное изделие действительно создавало бы закручивающийся по образующей цилиндра воздушный поток непосредственно перед клапаном, но недостатками можно будет считать следующее: лопасти будут создавать препятствие на пути движения воздуха, уменьшая проходное сечение в самом узком месте, где скорость движения воздуха самая высокая; изготовление подобного завихрителя вызовет увеличение стоимости узла из за затрат на изготовление изделия литьём или штамповкой и изготовление оборудования для производства, а также его установкой и фиксацией в пространстве между седлом клапана и направляющей втулкой клапана.

Чтобы избежать всех этих недостатков предлагается для создания вращающегося воздушного потока применить впускной клапан со спиральными направляющими расположенными на внутренней стороне клапана рисунок 6

Рис. 6.

Такой клапан будет формировать вращающийся воздушный поток на входе в цилиндр, при этом проходное сечение не уменьшится, в конструкции узла не появятся дополнительные сборочные единицы. Изготовление такого клапана возможно способом горячей штамповки, сделав в форме матрицы спиральные каналы, не меняя при этом технологии производства, оборудования, сборочного процесса.

Таким образом, создавая наиболее благоприятные условия для полноты сгорания дизельного топлива, будут снижены выбросы по NO_x.

Учитывая, что тракторная техника применяется иногда и в закрытых помещениях, парниковых и тепличных хозяйств, снижение вредных выбросов положительно скажется на здоровье работников и качестве выпускаемой продукции. Как правило при работе дизельных двигателей выделяются следующие вредные вещества: оксиды азота NO_x самый токсичный газ из ОГ, Гидроводороды (СxНy) — этан, метан, бензол, ацетилен (всего около 200 разных гидроводородов). Гидроводороды образуются в камере сгорания из-за гетерогенной смеси, иными словами пламя гаснет в очень богатой смеси, где не хватает воздуха (окислителя) за счет слабой турбулентности, низкой температуры, плохого распыления. В данной статье рассмотрен только один из возможных способов снижения токсичности, это создание более сильной турбулентности для лучшего смесеобразования.

В настоящее время на лабораторной базе Санкт Петербургского государственного бюджетного образовательного учреждения «Автотранспортный и электромеханический колледж» проводится эксперимент с внедрением клапана с завихрителем. При проведении эксперимента используется современное обрудование: Стенд для нагрузочных испытаний двигателей с гидравлическим тормозом, диагностическое оборудование как отечественных, так и иностранных производителей, газоанализатор и дымомер. В проведении эксперимента принимают участие преподаватели колледжа и других высших учебных заведений, а также студенты колледжа.

Гомогенное сжигание дизельного топлива с образованием внешней смеси с помощью испарителя с холодным пламенем

Автор (ы): Хайке Пушманн, Ральф Бухвальд, Марсель Паннвиц, Ансгар Зоммер, Хайде Поланд фон Шлосс, Клаус Лука, Генрих Кёне

Филиал: IAV GmbH, Oel-Wärme-Institut gGmbH

Страницы: 11

Событие: Конференция и выставка по силовым агрегатам и гидравлическим системам

ISSN: 0148-7191

e-ISSN: 2688-3627

Гетерогенное горение — обзор

Горение

С момента появления человеческой цивилизации сжигание было наиболее широко применяемым методом преобразования биомассы, и даже сегодня сжигание древесины и сельскохозяйственных остатков в трехкамерных кострах и печах обеспечивает тепло и световая энергия для приготовления пищи и обогрева помещений значительной части населения во всем мире.

Термохимическая конверсия, такая как сжигание, часто предлагается для конверсии богатого лигнином сырья. Процесс сжигания может применяться для преобразования биомассы двумя способами: либо для прямого преобразования всей биомассы, либо для частей, оставшихся после биохимического преобразования. Процесс сжигания по существу неселективен при использовании в качестве сырья биомассы по сравнению с другими процессами преобразования, и он преобразует сырье биомассы в продукты CO ₂ и воду вместе с меньшими количествами других веществ, в зависимости от состава сырья и процесса. параметры.Однако сложный состав биомассы по-прежнему оказывает значительное влияние на ее поведение при горении.

На сжигание биомассы сильно влияют свойства исходного сырья. Количество тепла, выделяемого при сгорании, зависит от содержания энергии в сырье, а также от эффективности преобразования реакции. Тот факт, что состав биомассы играет ключевую роль в процессе сжигания, привлек внимание различных исследователей во всем мире. Актуальность этой темы подробно рассматривается в различных прекрасных отчетах [33,103–106].Органическое вещество, собираемое в результате фотосинтеза и дыхания растений, составляет основную долю энергии в биомассе, но неорганическая фракция также имеет значение для конструкции и работы системы сжигания, особенно в отношении загрязнения золой, шлакования и в случае псевдоожиженного слоя. камеры сгорания слоя, агломерация среды слоя.

Количество VM в сырье биомассы сравнительно выше, чем в его ископаемом аналоге, и обычно колеблется от 70 до 86 мас.% (Таблицы 2.1 и 2.2). В результате такого высокого количества летучих компонентов основная часть сырья биомассы испаряется до того, как происходят реакции гомогенного газофазного горения; оставшийся полукокс затем подвергается гетерогенным реакциям горения. Таким образом, количество VM сильно влияет на термическое разложение и характеристики горения твердого топлива.

C, H и O являются основными составляющими сырья биомассы, в то время как травяное сырье, например, сельскохозяйственные остатки и травы, также содержат сравнительно большее количество золообразующих минералов [25,107].Биомасса сильно насыщена кислородом по сравнению с обычным ископаемым топливом из-за ее углеводной структуры. Обычно ~ 30-40% сухого вещества биомассы составляет кислород [25]. Органически связанный О, высвобождаемый при термическом разложении топлива из биомассы, покрывает часть общего О, необходимого для протекающих реакций горения; остальное подается за счет нагнетания воздуха. Основным компонентом биомассы является углерод, составляющий от 30 до 60 мас.% Сухого вещества в зависимости от содержания золы, а большая часть древесины в сухом состоянии содержит примерно половину углерода.Углерод в сырье биомассы присутствует в частично окисленных формах, что объясняет низкую высшую теплотворную способность (ВТС) сырья биомассы по сравнению с углем. Концентрация углерода в древесной биомассе выше, чем в исходном сырье травянистой биомассы, что объясняет несколько более высокую ВТС древесного топлива. Из органических компонентов водород является третьим основным компонентом, обычно составляя 5-6% от сухого вещества. Азот, сера и хлор присутствуют в меньших количествах (<1% от сухого вещества), за исключением агроотходов, где эти элементы иногда обнаруживаются значительно выше этого значения [105,108].Присутствие больших количеств этих неорганических компонентов в конкретной биомассе связано с критическими проблемами, такими как осаждение, спекание, агломерация, загрязнение и коррозия или эрозия, вызываемые во время операции сжигания. Щелочные металлы, особенно калий, который имеет высокую подвижность, имеют тенденцию реагировать с кремнеземом даже при температурах намного ниже 900 ° C, разрывая связь SiOSi и образуя силикаты с низкой температурой плавления или с серой с образованием сульфатов щелочных металлов. Полученные силикаты или сульфаты щелочных металлов имеют очень низкие температуры плавления, которые могут достигать 700 ° C, и имеют тенденцию осаждаться на стенках реактора или на поверхностях теплообмена в случае обычных систем топки с решеткой.В случае реакторов с псевдоожиженным слоем они вносят значительный вклад в спекание слоя и дефлюидизацию инертного материала слоя за счет образования липкого налета на поверхности частиц слоя. Щелочные металлы (K и Na) богаты биомассой соломы и в основном представлены в виде простых солей, органических соединений и хлора. Эти металлические частицы выделяются в газовую фазу во время горения с образованием HCl и KCl. Высокое количество KCl в дымовых газах часто связано с усиленным образованием отложений, что, как следствие, приводит к коррозии труб пароперегревателя в котлах, работающих на биомассе [109].Критерии образования этих двух продуктов и вредных выбросов загрязняющих веществ следует учитывать при рассмотрении условий эксплуатации и выбора материала.

Азот является макроэлементом для растений и имеет решающее значение для роста, но он также участвует в образовании NO _x и закиси азота (N ₂ O) во время горения. Наиболее проблемными выбросами являются выбросы твердых частиц и оксидов азота (NO _x ) [110]. Они тесно связаны с концентрацией топливной золы и N соответственно [110].В этом отношении ресурсы травянистой биомассы представляют собой более сложную проблему из-за более высокой концентрации S и Cl, что приводит к увеличению выбросов SO _x , HCl, диоксинов и фуранов (ПХДД⁄F) [111, 112]. Проблемы, связанные с золой, влияют на безопасность эксплуатации, затраты на техническое обслуживание и срок службы устройств сжигания. Кроме того, зола травяного биотоплива характеризуется высоким содержанием K, высоким содержанием Si и низким содержанием Ca по сравнению с другими ресурсами биомассы, такими как зола, которая имеет низкие концентрации K, низкие концентрации Si и высокие концентрации Ca [113].Этот особый состав также отражается в более низкой температуре плавления золы, чем точка плавления других зол биомассы, что приводит к образованию отложений в секции печи (шлакование). Хотя, для упрощения, соотношение K⁄ (Ca + Mg) может использоваться в качестве индикатора поведения золы при плавлении [114,115] с низким значением, указывающим на низкий риск шлакообразования. Отложения (загрязнения), образованные летучими неорганическими частицами, состоящими в основном из K, Cl и S, в конвективной секции котла, приводят к высокотемпературной коррозии труб котла [112,116,117].Каждый элемент может быть обнаружен в биомассе в следовых количествах, что очень важно для конструкции, работы и экологических характеристик установок для сжигания [105,118].

Поведение золы во время горения трудно предсказать, исходя только из состава топлива, поскольку взаимодействия между элементами сложны и зависят от конструкции печи и рабочих параметров [113]. Однако можно выделить потенциально проблемные области.

Сжигание, в отличие от стратегии биохимического и некоторых других термохимических преобразований, по существу неселективно в использовании биомассы и направлено на сокращение всего топлива до простых продуктов, однако это указывает на то, что сложная структура биомассы действительно оказывает значительное влияние на ее сжигание. поведение.Элементы, включая Si, K, S, Cl, P, Ca, Mg, Fe, участвуют в реакциях, ведущих к загрязнению золой и шлакованию, и основные механизмы, описывающие эти явления в камерах сгорания биомассы, в настоящее время достаточно хорошо изучены [106].

Исследование горения с предварительным смешиванием в дизельном двигателе с сверхмноготанцевым соплом

В этом исследовании был предложен новый низкотемпературный режим сгорания с предварительным смешиванием для достижения одновременного снижения выбросов NO _x и сажи в серийном дизельном двигателе CA6DF с помощью реконструкция ключевых систем.Некоторые разработки этого дизельного двигателя заключаются в следующем. Был разработан прямой канал и камера сгорания большого диаметра с низкой степенью сжатия. Были разработаны входные порты с высокой степенью завихрения индукции. Был разработан охлаждаемый EGR. В частности, было разработано сверхмногоканальное сопло (UMH). Он имеет два слоя инжекционных отверстий и большую площадь прохождения потока. Два распылителя верхнего и нижнего слоев встречаются в пространстве камеры сгорания. Результаты показали, что рабочий диапазон этого дизельного двигателя для достижения лучшего низкотемпературного сгорания с предварительной смесью следующий.Скорость может варьироваться от холостого хода до номинальной скорости. Нагрузка может достигать 50% полной нагрузки соответствующей скорости по внешним характеристикам. NO _x и выбросы сажи в этом рабочем диапазоне одновременно значительно снижаются, даже на 80–90% в большинстве тестовых случаев, при этом удельный расход топлива на тормозах (BSFC) не снижается.

1. Введение

В обычном дизельном двигателе преобладает диффузионное сгорание гетерогенной смеси.Фронт пламени представляет собой диффузионное пламя смеси со стехиометрическим соотношением эквивалентности. Таким образом, максимальная температура сгорания очень высока, что способствует образованию NO _x . Внутренняя характеристика сгорания обычного дизельного двигателя определяет наличие минимального значения выбросов NO _x [1]. А возникновение локальных зон с низкой концентрацией кислорода является предвестником образования сажи. Следовательно, идеальный коэффициент избытка воздуха при обычном сгорании с предварительной смесью дизельного топлива должен соответствовать или предотвращать образование сажи и большого количества выбросов NO _x [2].Таким образом, необходимо изучить новый способ изменения гетерогенной смеси дизельное топливо с воздухом, смеси с соотношением стехиометрической эквивалентности и свойств диффузионного пламени, чтобы соответствовать все более строгим нормам выбросов. Низкотемпературное сжигание с предварительной смесью — это всего лишь новый режим горения, который может одновременно снизить выбросы NO _x и сажи [3–11]. В последние годы к этой категории относятся сгорание с воспламенением от сжатия с однородным зарядом (HCCI), сгорание с зонтичным распылением, модулированное кинетическое сгорание, многоступенчатое сгорание дизельного топлива, сгорание дизельного топлива с однородным зарядом, сгорание с многократным импульсным впрыском и низкотемпературное сгорание.Их общая цель состоит в том, чтобы достичь низкотемпературного сгорания с предварительно смешанной смесью путем образования бедной и сильно перемешанной или частично смешанной предварительно смешанной топливно-воздушной смеси перед воспламенением. Все эти новые способы горения можно разделить на две категории, а именно, горение HCCI и PCCI (воспламенение от сжатия с предварительным смешиванием заряда).

Первая категория — горение HCCI. Он может обеспечить химическую и физическую гомогенность смеси до воспламенения за счет раннего впрыска топлива. Горение HCCI близко к идеальному циклу Отто с постоянным объемом.Мало того, что он близок к мгновенному возгоранию, но нет диффузионного пламени. Таким образом, выбросы NO _x и сажи очень низкие. Гомогенная смесь приводит к незначительным выбросам сажи, а низкая температура приводит к сверхнизким выбросам NO _x . Существует две типичных стадии горения HCCI. Первая стадия называется реакцией холодного горения или низкотемпературного окисления [12], когда длинные углеродные цепи начинают разрываться. Второй этап — это последующее основное сжигание, которое называется реакцией высокотемпературного окисления.Холодное сгорание приводит к высокой температуре в цилиндре до тех пор, пока не начнется основное сгорание (второй очевидный пик тепловыделения) для высоких соотношений воздух-топливо (AFR). EGR — это способ снизить концентрацию кислорода и контролировать скорость горения за счет аккумулирования тепла, особенно когда смесь близка к стехиометрическому коэффициенту эквивалентности при высоких нагрузках.

Вторая категория — сжигание PCCI. Сгорание PCCI отличается от сгорания HCCI, поскольку PCCI включает в себя впрыск в цилиндр и имеет значительные градиенты соотношения эквивалентности топливно-воздушной смеси.Топливо при сгорании PCCI обычно впрыскивается непосредственно в камеру сгорания вблизи верхней мертвой точки. Эта стратегия впрыска предотвращает прилипание топлива к стенке цилиндра по сравнению со сгоранием HCCI [14]. Низкотемпературное сгорание, которое достигается за счет высокого уровня рециркуляции отработавших газов, приводит к низким выбросам NO _x , а сгорание с предварительным смешиванием (или частично с предварительным смешиванием), которое достигается за счет увеличения задержки зажигания, приводит к низким выбросам сажи. Однако способность сокращать выбросы NO _x и сажи PCCI несколько слабее, выбросы HC и CO ниже, а требования к однородности топливно-воздушной смеси и приготовлению обедненной смеси не являются более жесткими по сравнению с таковыми. HCCI.PCCI обычно больше подходит для дизельных двигателей [15] и не зависит от раннего впрыска топлива. Ранний впрыск топлива легко смачивает стенку гильзы или стенку сгорания, когда поршень все еще находится в нижнем положении в цилиндре, что приводит к неизбежному увеличению выбросов HC и CO. Более того, HCCI раннего впрыска топлива не может управлять моментом зажигания. Однако стало бы возможным управлять моментом зажигания с помощью PCCI позднего впрыска топлива.

На рисунке 1 показаны карты сажи NO _x [13] обычного дизельного двигателя, системы сгорания PCCI и HCCI, с температурой сгорания в качестве горизонтальной оси и отношением эквивалентности смеси в качестве вертикальной оси.В правом нижнем углу рисунка показана зона с высокой концентрацией NO _x , а в соответствующем верхнем левом углу — зона с высокой концентрацией сажи. Различные способы сжигания приводят к различным областям образования сажи NO _x . NO _x и выбросы сажи при сжигании обычного дизельного топлива относительно высоки, и между ними существует компромиссное соотношение. Концентрация топливно-воздушной смеси в камере сгорания распределена очень неравномерно в широком диапазоне, поскольку сгорание начинается до окончания впрыска топлива.Хотя полное соотношение воздух-топливо, как правило, относительно высокое, все еще существует богатая смесь в определенных местах и ​​много смеси с соотношением стехиометрической эквивалентности. Однако сжигание HCCI начинается с гомогенной обедненной смеси, чтобы избежать одновременного образования областей с высоким содержанием NO _x и концентрацией сажи. Таким образом, выбросы NO _x и сажи могут быть снижены до очень низких значений. Однако топливно-воздушная смесь PCCI не такая бедная и однородная, как у HCCI.Но в то же время он позволяет избежать образования областей с высокой концентрацией NO _x и сажи по сравнению с обычным дизельным сжиганием. Таким образом, выбросы NO _x и сажи у PCCI очень ниже, чем у обычного дизельного топлива, но немного выше, чем у HCCI.

 EngSpd_rpm_X = [500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500];
EngTq_Nm_Y = [10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130; 140];
EngAFR_rat_Z = [14 14,7 16.4 17,5 19,8 19,8 18,8 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1 18,1;
                14 14,7 14,7 16,4 16,4 16,4 16,5 16,8 16,8 16,8 16,8 16,8 16,8;
                14 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 15,7 15,7 15,3 14,9 14,9 14,9;
                14,2 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 13,9 13,3 13,3 13,3;
                14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,5 12,9 12,9 12,9;
                14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,3 13,3 12,6 12,1 11,8;
                14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14.7 14,7 14,7 13,6 12,9 12,2 11,8 11,3;
                14,1 14,2 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 13,3 12,5 11,9 11,4 10,9;
                13,4 13,4 13,8 14,3 14,3 14,7 14,7 13,6 13,1 12,2 11,5 11,1 10,7;
                13,4 13,4 13,4 13,4 13,4 13,6 13,6 12,1 12,1 11,6 11,2 10,8 10,5;
                13,4 13,4 13,4 13,4 13,1 13,1 13,1 11,8 11,8 11,2 10,7 10,5 10,3;
                13,4 13,4 13,4 13,4 12,9 12,9 12,5 11,6 11,3 10,5 10,4 10,3 10,2;
                13,4 13,4 13,4 13,4 12,9 12,9 12,5 11.6 11,3 10,5 10,4 10,3 10,2;
                13,4 13,4 13,4 13,4 12,9 12,9 12,5 11,6 11,3 10,5 10,4 10,3 10,2];
контур (EngSpd_rpm_X, EngTq_Nm_Y, EngAFR_rat_Z ', 30)
xgrid ()
xlabel ('Скорость двигателя [об / мин]')
ylabel ('Крутящий момент двигателя [Нм]')
название ('x-engineer.org')