Рабочий процесс дизеля с кумулятивной камерой сгорания

На современном этапе перед двигателестроением поставлены важные задачи, направленные на производство новых типов мощных быстроходных дизелей с высокими технико-экономическими показателями. Одним из основных направлений развития научно-технического прогресса в этой области является создание высокофорсированных дизелей для отечественной автотракторной промышленности.

Повысить агрегатную мощность дизеля можно в основном за счет увеличения литража, среднего эффективного давления или частоты вращения коленчатого вала. Увеличение литража в конечном счете ведет к росту размеров деталей цилиндро-поршневой группы и ухудшению весо-габаритных показателей дизеля.

Повышение среднего эффективного давления цикла приводит к возрастанию максимального давления сгорания, которое в настоящее время у большинства дизелей достигло своих предельных значений. При этом значительно повышается жесткость работы двигателя [1,2,3,4,53. Это является одним из основных препятствий, сдерживающих дальнейшее повышение удельной мощности дизелей, которая по прогнозам должна возрасти за ближайшие 10−15 лет в 2−2,5 раза.

Одним из наиболее перспективных и исторически сложившихся путей форсирования двигателей является путь повышения частоты вращения коленчатого вала. Опыт показывает, что уровень таких важнейших технико-экономических показателей, как литровая мощность, вес и габариты практически однозначно, при прочих равных условиях, определяются частотой вращения коленчатого вала. Чем выше быстроходность дизеля, тем выше его литровая мощность, тем ниже его удельный вес и габариты. С этой точки зрения номинальную частоту вращения коленчатого вала дизеля следует выбирать возможно большей. Именно этим обстоятельством объясняется тенденция непрерывного повышения быстроходности дизелей, начиная с первых лет их производства и до настоящего времени.

Вместе с тем опыт показывает, что при форсировании дизеля по скоростному режиму большое внимание необходимо уделять обеспечению качественного смесеобразования, зависящего от типа камеры сгорания, параметров топливоподаадей аппаратуры и взаимодействия.

— 9 факелов топлива с движением воздушного заряда.

Дизели с непосредственным впрыском имеют ограниченные возможности повышения скоростного режима, в первую очередь в связи с особенностями процессов воспламенения и сгорания. У них отмечается вялое протекание процесса смесеобразования, осуществляемого в основном за счет кинетической энергии топливных факелов. В результате даже при высоком коэффициенте избытка воздуха в отдельных зонах камеры сгорания наблюдается затянутое тепловыделение в цилиндре, ограничивающее возможность форсирования дизеля по частоте вращения коленчатого вала [2,10,11].

Исследования, проведенные на дизелях, реализующих объемнопленочный способ смесеобразования, показали, что продолжительность тепловыделения в них зависит от скорости испарения образующейся топливной пленки. Причем скорость горения топлива при его испарении с поверхности камеры сгорания в основном определяется скоростью турбулентной диффузии, которая хотя и возрастает с увеличением частоты вращения коленчатого вала, но не беспредельно, ограничивая в конечном счете уровень форсирования дизелей средними частотами вращения [11,12,13]. Этому же в значительной мере способствует утяжеленный, из-за размещения в головке глубокой камеры сгорания, поршень.

В связи с этим следует отметить увеличение работ по совершенствованию рабочего процесса в дизелях с разделенными камерами сгорания. Применение качественной топливной аппаратуры, подбор формы камеры сгорания, проходных сечений и направления соединительных каналов позволяют существенно снизить продолжительность тепловыделения в цилиндре при невысоких динамических параметров цикла, что способствует сохранению экономичности на высоком уровне в широком диапазоне изменения скоростных режимов. Возрождению исследований способствует также то обстоятельство, что при использовании этих камер снижается токсичность отработанных газов [2,3,15,16].

Требования к совершенной организации рабочего процесса дизеля оказываются весьма противоречивыми [6,7,8]. Для достижения высокой полноты сгорания необходимо равномерное пространственновременное распределение топлива по всему объему воздушного заряда. Однако это приводит к одновременному возникновению большого числа начальных очагов воспламенения и взрывному сгоранию топлива, что вызывает жесткую работу двигателя, а затянутое догорание.

— 10 ухудшает его индикаторные показатели.

Поэтому для расширения возможности форсирования дизеля по частоте вращения коленчатого вала при умеренных значениях максимальных давлений цикла следует стремиться к такой организации рабочего процесса, при которой за период задержки самовоспламенения подготавливается к сгоранию минимально возможное количество топлива, а сгорание основной части топлива осуществляется с большой интенсивностью [7,6,8].

Первое требование может быть достигнуто уменьшением количества топлива, поданного за период задержки самовоспламенения, или уменьшением самого периода задержки, или одновременным сокращением и того, и другого. Следует отметить, что уменьшение периода задержки самовоспламенения расширяет возможность управления тепловым процессом дизелей. Основная часть цикловой подачи топлива в этом случае поступает в цилиндр после начала сгорания, поэтому тепловыделением в цилиндре можно управлять, изменяя закон подачи топлива.

В завершающей фазе процесса сгорания создаются условия, когда в цилиндре дизеля образуются зоны, в которых для полного выгорания топлива не хватает кислорода, и зоны, в которых имеется его избыток. Поэтому для улучшения полноты сгорания топлива необходимо обеспечить интенсивное перемешивание рабочего тела в этот период.

В этом случае сокращение периода догорания приведет к уменьшению общей продолжительности сгорания, что может позволить форсировать дизель по частоте вращения коленчатого вала или обеспечить полное выгорание больших цикловых подач топлива при увеличении его агрегатной мощности.

Таким образом, изыскание и исследование способов организации рабочего цикла дизеля с целью уменьшения общей продолжительности сгорания приобретает на современном этапе важное значение и является актуальным.

Настоящаяя диссертационная работа посвящена исследованию рабочего процесса дизеля с кумулятивной камерой сгорания, защищенной авторским свидетельством [78] и разработанной с целью обеспечения возможности его форсирования по частоте вращения коленчатого вала за счет своевременного и более полного выгорания поступающего топлива.

В диссертации в широком диапазоне изменения режимных факторов исследованы два варианта кумулятивной камеры, имеющие конструктивные особенности, которые способствуют повышению качества процессов смесеобразования и сгорания. Разработаны рекомендации по совершенствованию рабочего процесса в дизеле при его форсировании по частоте вращения коленчатого вала.

5.5. Выводы.

1. Исследованные кумулятивные камеры сгорания 1-го (ККС-1) и 2-го (ККС-2) вариантов позволяют интенсифицировать процесс сгорания в основной и завершающей фазе в рассматриваемом диапазоне изменения скоростного режима, что дает возможность уменьшить оптимальный угол опережения подачи топлива по сравнению с открытой камерой сгорания.

2. Уменьшение угла 8ВПр в дизеле с обеими кумулятивными карами сгорания способствует снижению периода задержки самовоспламенения, что, в свою очередь, существенно снижает динамические показатели цикла. В дизеле с ККС-1 при п = 1800 мин-1 максимальное давление сгорания не превышает 6,0 МПа при скорости его нарастания 0,56 МПа/1°. В дизеле с ККС-2 такое же давление при скорости нарастания 0,54 МПа/1° достигается при п — 2000 мин-1.

3. Продолжительность сгорания в дизеле с ОКС при п — 1600 мин-1 составила 84° п.к.в. в дизеле с ККС-1 — 65° п.к.в., а в дизеле с ККС-2 она снизилась до 58° п.к.в., что свидетельствует о высокой эффективности тепловыделения в обеих кумулятивных камерах. Это позволило форсировать дизель по частоте вращения с 1600 соответственно до 1800 и 2000 мин-1 без существенного ухудшения динамических показателей цикла и экономичности.

4. Полнота выгорания поступающего топлива в дизеле с ККС-1 и ККС-2 значительно выше, чем в дизеле с ОКС. Заметного повышения уровня дымности отработавших газов не поступает при увеличении нагрузки до а. — 1,5 и 1,4.

5. Период задержки самовоспламенения в шаровых полостях в дизеле с обеими кумулятивными камерами сгорания оказался на всех режимах больше, чем в основной полости. Это говорит о том, что самовоспламенение начинается в пространстве над поршнем.

— 147.

6. Шаровые полости обеих кумулятивных камер сгорания выполняют роль регуляторов процесса, стабилизируя сгорание в основной полости на определенном уровне за счет перераспределения поступающего топлива между этими полостями. Увеличение количества топлива, попадающего в шаровые полости, при повышении нагрузки обеспечивает постоянство Р2 в надпоршневом пространстве. В дизеле с ККС-2 эта тенденция выражена слабее из-за некоторого ухудшения условий входа топлива в шаровые полости.

7. Параметры перетекания газа на такте сжатия и при сгорании-расширении, определяемые в основном геометрическими соотношениями разделенных объемов и перепадами давлений между ними, в дизеле с обеими ККС при изменении нагрузки и частоты вращения коленчатого вала изменяется аналогично и по величине отличаются незначительно.

8. На характер протекания процесса сгорания в цилиндре наибольшее влияние оказывает не величина энергии истекающих газовых струй, а продолжительность истечения, которая должна совпадать с фазами горения топлива.

9. Максимальное давление в дополнительных шаровых полостях в дизеле с обеими кумулятивными камерами в 1,3 — 1,4 раза выше, чем в надпоршневом пространстве, что свидетельствует об интенсивном сгорании, в условиях постоянного объема, поступающего в них топлива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Необходимость дальнейшего форсирования дизелей требует сокращения времени на организацию и протекание в них процессов смесеобразования и сгорания, При этом оптимальные условия сгорания должны обеспечить умеренные значения максимального давления цикла и скорости его нарастания.

Проведенное исследование подтвердило возможность реализации такой схемы процесса и позволяет сделать следующие общие выводы:

1. Разработанные в соответствии с теоретическими предпосылками кумулятивная камера сгорания (а. с. N848715) и ее улучшенный вариант позволяют обеспечить сокращение продолжительности активного тепловыделения в дизеле по сравнению с открытой камерой сгорания при п=1200 мин" -1 на 11%, при п=2000 мин" 1 на 20% и составило при 1600 мин" 1 для ККС-2 — 60° п.к.в., а для 0К0 соответственно 84и п.к.в.

2. Проведенное многофакторное исследование позволило уточнить оптимальные конструктивные соотношения экспериментальных кумулятивных камер сгорания и выбрать для исследований: а) ККС-1, имеющую суммарный относительный объем шаровых полостей, равный 10% и диаметр цилиндрических соединительных каналов — 4,5 ммб) ККС-2, имеющую такой же суммарный относительный объем шаровых полостей и диффузорные соединительные каналы с углом раскрытия — 20°, выполненные при том же минимальном проходном сечении, что и у ККС-1, и повернутые относительно осей топливных факелов на угол — 25° ,.

3. Полученные многопараметровые характеристики показывают, что у дизеля с ККС-2 рабочий процесс лучше организован. Диапазон нагрузочных и скоростных режимов, при которых удельный эффективный расход топлива меняется незначительно, шире, по сравнению с открытой камерой сгорания, по Р©в 1,4 раза, а по частоте вращения коленчатого вала в 1,5 раза.

4. На малых частотах вращения коленчатого вала (п «1200 мин» 1) величина оптимального угла опережения подачи топлива в ди.

— 149 зеле с исследуемыми камерами сгорания оказалась сопоставимой — 27° п.к.в., ККС-1 — 24° п.к.в., ККС-2 — 23° п.к.в.), что свидетельствует о недостаточном воздействии дополнительных шаровых полостей на рабочий процесс. С ростом п это воздействие возрастает и при п — 1600 мин" 1 и 2000 мин" 1 у ОКС 0Впр= 32 и 35° п.к.в, у ККС-1 — 25 и 30° п.к.в., а у ККС-2 соответственно 23 и 27° п.к.в.

5, Максимальное давление сгорания, определяемого величиной оптимального угла опережения подачи топлива, в дизеле с кумулятивными камерами сгорания в диапазоне изменения п от 1200 до 1800 мин-1 оказалось на 1 — 1,2 МПа ниже, чем в дизеле с ОКС, С дальнейшим ростом п эта разница уменьшается до 0,5 — 0,8 МПа.

6. Экспериментально установлено, что на всех исследованных режимах самовоспламенение начинается в основной полости кумулятивной камеры сгорания и только потом процесс распространяется в дополнительные шаровые полости, которые, таким образом, служат источником энергии для создания газовых струй, улучшающих процессы смесеобразования и сгорания в основной и завершающей фазах,.

7. Анализ кривых активного тепловыделения в основной и дополнительных шаровых полостях в дизеле с ККС-1 и ККС-2 при различных скоростных и нагрузочных режимах показал, что наличие интенсивного движения заряда над поршнем, обусловленного появлением газовых струй вследствие отмеченного на индикаторных диаграммах перепада давлений между дополнительными и основной полостями ККС, приводит к сокращению общей продолжительности сгорания на всех режимах, По сравнению с ОКС это сокращение составило при п — 1200 мин-1 7 и 11%, а при п — 2000 мин" 1 соответственно 12 и 22%,.

8, Разворот осей соединительных каналов относительно осей топливных факелов на 25 градусов в дизеле с ККС-2 позволяет полнее использовать энергию истекающих газовых струй для охвата над-поршневого пространства. В результате продолжительность тепловыделения в дизеле с ККС-2 сократилась, по сравнению с ККС-1, на всех рассматриваемых скоростных режимах на 5−10%.

9. Сокращение общей продолжительности сгорания за счет тур-булизации горящей смеси в основной и завершающей фазах процесса дает возможность при постоянной цикловой подаче топлива получить хорошие выходные показатели при увеличении частоты вращения коленчатого вала дизеля с ККС-1 до 1800 мин" 1, а дизеля с ККС-2 до 2000 мин" 1,.

10, Отмеченное снижение продолжительности активного тешювы.

— 150 деления у дизеля с кумулятивными камерами сгорания должно было бы привести к улучшению экономичности. Однако этого не произошло из-за увеличения тепловых и газодинамических потерь.

11. Экспериментально установлено., что на номинальном скоростном режиме при полной нагрузке для обеспечения рабочего процесса с умеренными значениями максимального давления цикла тепло-подвод должен начинаться вблизи ВМТ при общей продолжительности сгорания 55−60° п.к.в. Изменение скоростного режима требует корректировки начала теплоподвода за счет изменения угла опережения подачи топлива.

12. Проведенное исследование показывает, что на рабочий процесс дизеля с кумулятивными камерами сгорания в большей степени влияет не величина энергии истечения газовых струй, а продолжительность процесса перетекания, которая по времени должна совпадать с последними периодами горения топлива. Следует отметить, что организация направленного вихревого движения горящей смеси в дизеле с ККС-2 за счет соответствующей ориентации соединительных каналов позволяет при меньшей по величине энергии истечения добиться лучшего использования кислорода воздуха и более полного выгорания последних порций поступающего топлива. Повышения дым-ности газов сверх допустимых пределов не происходит при увеличении нагрузки на 20% по сравнению с номинальной.

13. Отмеченное уменьшение периода задержки самовоспламенения у дизеля с кумулятивными камерами сгорания по сравнению с ОКО расширяет возможность управления тепловым процессом. Эта разность составила 2−2,2 мс в диапазоне изменения п от 1200 до 2000 мин-1.

14. Проведенное исследование указало на значительную зависимость показателей рабочего процесса дизеля с кумулятивной камерой сгорания от ориентации топливных факелов и условий топливоподачи. Распылители форсунки должны с высокой точностью направлять топливо на входные отверстия шаровых полостей.

15. Разворот осей соединительных каналов относительно осей топливных факелов в дизеле с ККС-2 позволил снизить тепловую напряженность распылителя форсунки, что в 1,5 — 2 раза уменьшило его склонность к закоксовыванию.

16. Экономический эффект от внедрения кумулятивной камеры сгорания может быть определен только после проведения всесторонних испытаний дизеля на надежность, долговечность, токсичность отработавших газов и т. д., которые в задачу настоящего исследова.

— 151 ния не входили. Поэтому на данном этапе оценка экономической эффективности от замены открытой камеры сгорания на кумулятивную может быть произведена весьма условно.

Ориентированный расчет [110] показал, что несмотря на усложнение конструкции поршня, применение кумулятивной камеры сгорания на автотракторных дизелях может дать экономию за счет повышения моторесурса.

Выполненные эксперименты и расчеты говорят о том, что кумулятивная камера сгорания 2-го варианта дает возможность при невысоком максимальном давлении сгорания и скорости его нарастания форсировать дизель по частоте вращения коленчатого вала, за счет соответствующего сокращения общей продолжительности сгорания, без ухудшения его экономичности.

Вместе с тем следует отметить, что размещение дополнительных шаровых полостей в поршне увеличивает его тепловую напряженность, поэтому в дальнейшем представляется целесообразным рассмотреть возможность использования теплоизолирующих вставок и покрытий, дать оценку применения кумулятивной камеры сгорания по всем составляющим моторных испытаний, включая токсичность отработавших газов, а также найти пути снижения трудозатрат на изготовление поршней.