ПРОЦЕССЫ
ПРОЦЕССЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ, ВОСПЛАМЕНЕНИЯ, СГОРАНИЯ И РАСШИРЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ТОПЛИВА ОТ СЖАТИЯ
§ 1. Системы подачи топлива в камеру сгорания дизеля В первых конструкциях дизелей [1] подача топлива осу- ществлялась сначала в смесительную камеру форсунки, а подача топлива в надпоршневую полость (камеру сгорания) – сжатым воздухом. Сжатый воздух подавался в смесительную камеру фор- сунки при давлении большем на 1,5–2 МПа давления воздуха в надпоршневой полости в конце такта сжатия. Давление воздуха в надпоршневой полости к концу такта сжатия достигало 3,2– 3,5 МПа, температура – 550–600 .С. Подача топлива в надпорш- невую полость начиналась до ВМТ. Момент начала подачи топ- лива из смесительной камеры форсунки в надпоршневую полость определялся моментом открытия иглы форсунки. Подъем иглы форсунки осуществлялся с помощью кулачкового вала с приво- дом от коленчатого вала. Продолжительность открытия иглы форсунки не зависела от нагрузки. В качестве топлива использо- вался керосин. Применение сжатого воздуха для распыливания и подачи топлива в надпоршневую полость обеспечивало высокую дис- персность его распыла, интенсивное перемешивание мельчайших капель топлива с горячим воздухом, сокращение периода задерж- ки воспламенения. Поэтому скорость сгорания топлива опреде- лялась в основном скоростью его поступления в надпоршневую полость. Процесс сгорания при этом происходил практически при постоянном давлении. Изобретение механической системы подачи топлива непо- средственно в камеру сгорания значительно упростило конструк- цию дизеля, систему управления, позволило повысить частоту вращения коленчатого вала дизеля. В современных дизелях ис- пользуется несколько типов механических систем топливоподачи 379 на базе плунжерных насосов высокого давления: раздельные сис- темы топливоподачи (насос и форсунки – отдельные узлы, со- единенные трубопроводом высокого давления); насос-форсунки (плунжерный насос высокого давления и форсунка в общем кор- пусе); аккумуляторные системы топливоподачи с электронной системой управления перемещением иглы распылителя форсун- ки. Рассмотрим, в качестве примера, особенности процессов по- дачи топлива в камеру сгорания в дизеле с раздельной механичес- кой системой (рис. 11.1). Топливо из бака 1 под- качивающим топливным на- сосом 3 через фильтры гру- бой 2 и тонкой 4 очистки топлива подводится к корпу- су топливного насоса высоко- го давления 6 (рис. 11.1). Давление в каналах подвода топлива к нагнетательным секциям насоса поддержива- ется на уровне 0,2–0,3 МПа обратным клапаном 7. Нагне- тательные секции соединены трубопроводами высокого давления 8 с форсунками 9. Топливо, поступившее в по- лость пружины форсунки че- рез зазор между иглой распы- лителя и корпусом распылителя, отводится в топливный бак 1. Нагнетательная секция топливного насоса высокого давле- ния (рис. 11.2) содержит узел нагнетательного клапана 3, втулку плунжера 4 с каналами для подвода топлива в надплунжерную полость, плунжер 6 с отсечной канавкой 7, поворотную втулку 10, толкатель 11, пружину толкателя 12. Изменение цикловой по- дачи топлива в приведенной конструкции определяется измене- нием момента открытия кромкой отсечной канавки на плунжере 7 отверстия 5 во втулке плунжера 4. Этот момент зависит от угла поворота плунжера 6, осуществляемого через поворотную втулку Рисунок 11.1 – Схема системы подачи топлива в автотракторном дизеле: 1 – топливный бак; 2 – фильтр грубой очистки топлива; 3 – подкачивающий топливный насос; 4 – фильтр тонкой очистки топлива; 5 – вентиль для удале- ния из системы воздуха; 6 – топливный насос высокого давления; 7 – обратный клапан; 8 – трубопровод высокого дав- ления; 9 – форсунка 1 2 3 4 5 6 7 8 9 380 10 рейкой 9 топливного насоса, соединенной тягой с централь- ным регулятором. Перемещение плунжера 6 нагнетательной секции осуществ- ляется через толкатель 11 кулач- ковым валом. Максимальное дав- ление в надплунжерной полости, а соответственно и перед форсун- кой, в раздельных системах топ- ливоподачи составляет 30 – 100 МПа. В насос-форсунках это дав- ление может превышать и 150 МПа. В раздельных системах топ- ливоподачи используются в ос- новном закрытые форсунки с многодырчатым распылителем (рис. 11.3, а) или со штифтовым распылителем (рис. 11.3, б) с раз- личной формой штифта. Форсун- ки с многодырчатым распылите- лем применяются в дизелях с не- разделенными и полуразделен- ными камерами сгорания. Коли- чество отверстий распылителя в зависимости от формы камеры сгорания и ее расположения по отношению к распылителю форсунки, диаметра горловины каме- ры сгорания и интенсивности тангенциального вихря в надпорш- невой полости составляет 4–12; диаметр отверстий распылителя в зависимости от объема надпоршневой полости – 0,2–1 мм и бо- лее. Форсунки со штифтовым распылителем (диаметр штифта 1– 2 мм) используются в быстроходных дизелях с разделенными ка- мерами сгорания (вихрекамерные и предкамерные дизели). Давление топлива в полости под иглой распылителя 5, соот- ветствующее моменту начала подъема иглы распылителя, опре- деляется предварительной затяжкой пружины форсунки 2 Рисунок 11.2 – Топливный насос (поперечный разрез): 1 – корпус; 2 – каналы для топли- ва; 3 – узел нагнетательного кла- пана; 4 – втулка плунжера; 5 – каналы для топлива во втулке плунжера; 6 – плунжер; 7 – отсеч- ная канавка; 8 – штифт; 9 – рейка; 10 – поворотная втулка; 11 – тол- катель; 12 – пружина толкателя 1 2 5 7 9 12 3 4 6 8 10 11 381 (рис. 11.3) и зависит от типа камеры сгорания и других особенностей организации процессов смесеобразова- ния. В форсунках со штиф- товым распылителем это давление обычно не превы- шает 13 МПа, в форсунках с многодырчатым распылите- лем давление начала подъе- ма иглы распылителя со- ставляет 17–30 МПа. Рассмотрим для приме- ра особенности процессов подачи топлива в вихрека- мерном дизеле с топливным насосом распределительного типа и штифтовой форсун- кой при частоте вращения коленчатого вала 5000 мин–1 (рис. 11.4). Остаточное дав- ление в трубопроводе высо- кого давления рост составля- ет примерно 0,6 МПа. Нача- ло подъема иглы распыли- теля форсунки по отноше- нию к моменту начала по- вышения давления топлива перед форсункой смещается примерно на 15 .ПКВ. По отношению к ВМТ поршня опереже- ние начала подъема иглы распылителя форсунки .впр составляет 17 .ПКВ. В этот момент давление топлива перед форсункой достигает значения, соответствующего давлению затяжки пру- жины (рвпр . 13 МПа). Продолжительность подъема иглы фор- сунки (hигл = 0,8 мм) составляет примерно 18,5 .ПКВ, выстоя – 27 .ПКВ, посадки иглы – 8,5 .ПКВ. В течение этого промежутка времени (54 .ПКВ или 1,8 мс) в камеру сгорания поступает Рисунок 11.3 – Форсунки: а – с многодырчатым распылителем; б – со штифтовым распылителем 1 – корпус форсунки; 2 – пружина; 3 – ка- нал подвода топлива к распылителю; 4 – корпус распылителя; 5 – игла распылителя; 6 – накидная гайка 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 а б 382 28,4 мм3 топлива. Максимальное давление топлива перед фор- сункой не превышает 19,5 МПа. В зависимости от частоты вра- щения коленчатого вала, величины цикловой подачи топлива эти параметры процесса топливоподачи будут изменяться. §2. Процессы смесеобразования Эффективность процесса сгорания топлива в дизелях в зна- чительной степени зависит от тонкости и однородности распыла топлива, распределения топлива по объему камеры сгорания, взаимодействия факелов впрыснутого топлива со стенками каме- ры сгорания и потоками воздуха (продуктов сгорания) в камере сгорания. При повышенных цикловых подачах топлива подача топлива в камеру сгорания продолжается и после начала сгора- ния, то есть процессы смесеобразования и сгорания в дизелях протекают в течение некоторого времени одновременно. .. = 2 мс 5 4 3 . = 1 1 2 .впр hигл р, МПа 20 10 рвпр рост Рисунок 11.4 – Осциллограмма изменения параметров топливоподачи в вихрекамерном дизеле ВАЗ-341 (S/D = 80/76) при частоте вращения коленчатого вала 5000 об/мин и цикловой подаче Вц = 28,4 мм3/цикл: 1 – давление топлива перед форсункой; 2 – подъем иглы форсунки (hигл = 0,8 мм); 3 – закон подачи топлива . = В. /Вц (В. –количество топлива, поступающего в камеру сгорания к углу поворота криво- шипа .); 4 – отметка ВМТ поршня; 5 – отметка времени (.. = 2 мс) 383 Качество распыливания топлива определяется тонкостью и однородностью распыла топлива, дальнобойностью факела, структурой факела распыленного топлива. Тонкость распылива- ния топлива характеризуется величиной среднего диаметра ка- пель топлива, а однородность распыливания топлива – предель- ными отклонениями диаметра капель топлива от среднего зна- чения. Эти показатели качества распыливания топлива, как и дальнобойность факела, угол конуса факела, зависят от особен- ностей конструкции распылителей, давления топлива у отверстий распылителя (под иглой распылителя) и характера его изменения в течение впрыскивания, давления (плотности) среды (воздуха, продуктов сгорания), в которую осуществляется впрыскивание, интенсивности турбулизации среды. Впрыскивание топлива в камеру сгорания дизеля в зависи- мости от особенностей организации рабочих процессов, частоты вращения коленчатого вала начинается за 10–40 .ПКВ до ВМТ и продолжается в зависимости от величины цикловой подачи топ- лива 10–60 .ПКВ. Давление воздуха в камере сгорания к началу впрыскивания в дизелях без наддува достигает в зависимости от степени сжатия 3–6 МПа, в дизелях с наддувом – до 10 МПа, температура воздуха – 900–1100 К. В течение подачи топлива в камеру сгорания изменяется давление топлива перед сопловыми каналами распылителя, давление, температура и плотность воз- духа (продуктов сгорания) в камере сгорания, а соответственно и перепад давления на сопловом канале распылителя. Перепад дав- ления на сопловом канале распылителя зависит также и от мест- ных сопротивлений канала (остроты кромок канала, шерохова- тости поверхности стенок канала). Действительная скорость истечения топлива из соплового канала, м/с: . . т 2 т пр .. . . р р Wc , (11.1) где . = 0,7–0,8 – скоростной коэффициент; рт, рпр – давление топлива перед сопловым каналом (под иглой) и воздуха в камере сгорания в Па; .т – плотность топлива перед сопловым каналом в кг/м3. 384 Для примера (табл. 11.1) определим скорость истечения топ- лива из соплового канала при плотности топлива .т = 850 кг/м3, скоростном коэффициенте . = 0,7, учитывающем уменьшение скорости истечения вследствие трения потока топлива о стенки и внутреннего трения, давлении воздуха в камере сгорания рпр = = 4 МПа. Таблица 11.1 – Изменение скорости истечения топлива из соплового канала в зависимости от перепада давления на сопловом канале (рт – рпр) .10–5, Па 60 160 260 460 960 1460 Wс, м/с 83 136 173 230 333 410 Распад струи топлива на выходе из отверстия распылителя, образование факела распыленного топлива зависит от конструк- ции распылителя, скорости истечения топлива, давления и плот- ности газовой среды, определяющих аэродинамическое сопро- тивление среды, в которую осуществляется впрыскивание. На распад струи значительное влияние оказывают также начальные возмущения в сопловом канале, которые зависят от кромок от- верстий соплового канала, отношения длины соплового канала к его диаметру, шероховатости стенок соплового канала, пузырь- ков паров топлива и воздуха в струе топлива, сжимаемости топ- лива. Центральная часть факела состоит из более крупных частиц топлива и отходящих от нее тонких нитей топлива, которые затем разрушаются под воздействием сил аэродинамического сопро- тивления газовой среды, образуя оболочку факела из мелких ка- пель. Скорость капель топлива в оболочке факела вследствие аэ- родинамического сопротивления газовой среды по мере удаления от оси факела резко уменьшается. При впрыскивании топлива в вакуум распад струи на вы- ходе из соплового отверстия зависит только от начального воз- мущения в сопловом канале. Если начальное возмущение в со- пловом канале незначительно, на выходе из отверстия соплового канала образуется плотная струя (рис. 11.5, а) или рыхлая струя топлива (рис. 11.5, б, в) [2]. Замена цилиндрического штифта в 385 распылителе (рис. 11.5, а) на штифт с обратным конусом (рис. 11.5, г) увеличила начальное возмущение в канале распылителя [2]. На выходе из соплового отверстия струя топлива распадается на тонкие нити, которые затем разрываются, образуя отдельные капли. С повышением противодавления газовой среды (воздуха) в бомбе, в которую осуществляется впрыскивание топлива, с 30– 40 мм рт.ст. до атмосферного (760 мм рт.ст.) аэродинамическое сопротивление среды возросло примерно пропорционально уве- личению плотности газовой среды и квадрату скорости частиц топлива, что увеличило скорость распада струи, дробление час- тиц топлива непосредственно на выходе из соплового канала (рис. 11.6, а). Образующиеся при этом вихри воздуха переносят мельчайшие частицы топлива на периферию факела, образуя его оболочку в форме конуса. Если начальное возмущение в сопло- вом канале незначительно (штифтовой распылитель с цилиндри- ческим штифтом – рис. 11.5, а), то при увеличении противодей- ствия газовой среды до 1,6 МПа на выходе из соплового канала формируется плотная струя топлива, которая распадается на за- метном удалении от отверстия канала распылителя (рис. 11.6, б). Рисунок 11.5 – Впрыскивание топлива в вакуум (абсолютное давление газовой среды в бомбе, в которую осуществлялся впрыск, составляет 30 – 40 мм рт.ст.) a б в г 386 При впрыскивании топ- лива через сопловой распы- литель (рис. 11.7, а) при по- стоянном давлении топлива в аккумуляторе, а соответст- венно и перед отверстием ка- нала распылителя, и проти- водавлении 0,1 МПа по оси факела образуется более плотное ядро, состоящее из более крупных капель. Вер- шина этого ядра несколько отстает от переднего фронта факела. В ядре факела нахо- дится основная масса впрыс- киваемого топлива [3]. Мель- чайшие частицы топлива, об- разующиеся на поверхности ядра, вихрями воздуха выносятся из этой зоны на периферию факела. С повышением противодавления газовой среды до 1,4 МПа возрастает интенсивность образования мельчайших капель топлива в зоне ядра факела, интенсивность их переноса вихрями воздуха на периферию факела, увеличивает- ся угол конуса факела, однородность распыливания топлива (рис. 11.7, б). Противодавление (плотность газовой среды, в которую осу- ществляется впрыскивания топлива) влияет и на дальнобойность Lф и на угол .ф конуса факела (рис. 11.8) [2]. С увеличением про- тиводавления газовой среды дальнобойность факела уменьшается, увеличивается угол ко- нуса факела. На каче- ство распыла топлива и дальнобойность факе- ла оказывает заметное а Рисунок 11.7 – Впрыскивание топлива в газовую среду при постоянном давлении топлива в аккумуляторе рак = 56 МПа и противодавле- нием рпр = 0,1 МПа (а) и рпр = 1,4 МПа (б): распылитель дырчатый – рис. 11.5, б; dс = 0,56 мм б Рисунок 11.6 – Впрыскивание топлива в газовую среду с противодавлением: а – рпр = 0,1 МПа, распылитель штифтовой с обратным конусом – рис. 11.5, г; б – рпр = 1,6 МПа, распылитель штифтовой с цилиндрическим штифтом – рис. 11.5, а a б 387 влияние диаметр сопловых ка- налов дырчатого распылителя (рис. 11.9, 11.10) [2]. С умень- шением диаметра соплового ка- нала улучшается тонкость и од- нородность распыливания топли- ва – увеличивается относитель- ный суммарный объем капель Vк с меньшим диаметром dк и уменьшаются предельные значе- ния диаметра капель (рис. 11.9). Дальнобойность факела с умень- шением диаметра соплового ка- нала также уменьшается (рис. 11.10). На дальнобойность факе- ла, угол конуса факела и мелкость распыливания топлива оказывает влияние не столько диаметр со- плового канала, сколько соотно- шение между диаметром и дли- ной соплового канала. Чем мень- ше отношение длины соплового канала дырчатого распылителя (толщины стенки распылителя) к его диаметру, тем тоньше распы- ливание топлива, больше угол ко- нуса факела. Дальнобойность фа- кела при этом уменьшается. Ми- нимальная толщина стенки дырчатого распылителя в зоне сопло- вых каналов обычно определяется механической прочностью стенки колодца под иглой распылителя. Скорость частиц топлива и их размер в факеле за фронтом факела изменяются незначительно, поскольку они перемещаются по трасам с пониженным сопротивлением за фронтальными час- тицами топлива. С потерей скорости каплями топлива во фронте факела следующие за ними капли топлива нагоняют их, сливаются с ними, сообщая им дополнительный импульс для Рисунок 11.8 – Влияние противодав- ления газовой среды на дально- бойность факела Lф и на угол конуса факела .ф: распылитель многодырчатый с dс = 0,8 мм; давление начала подъе- ма иглы форсунки – 20 МПа; часто- та вращения кулачкового вала nк = 800 об/мин; 1 – рпр = 0,1 МПа; 2 – рпр = 1 МПа; 3 – рпр = 2,1 МПа; А – рпр = 0,7 МПа; В – рпр = 1,73 МПа Lф, мм Lф .ф .ф 10 20 30 20 40 60 80 100 120 140 160 1 2 ., мс 1 2 3 А В 388 дальнейшего поступатель- ного движения. Поэтому диаметр капель топлива во фронтальной зоне факела будет постепенно увеличи- ваться. Достигнув поверх- ности стенок камеры сгора- ния, капли топлива фрон- тальной зоны факела расте- каются по поверхности, об- разуя тончайшую пленку. Скорость испарения топли- ва с поверхности пленки зависит от температуры по- верхности стенки камеры сгорания, скорости потоков газа над пленкой. Взаимодействие факела впрыскиваемого топлива с пото- ками газовой среды в надпоршне- вой полости, интенсивность пере- мешивания паров топлива с воз- душным зарядом зависит от типа и формы камеры сгорания, на- правления движения фронта факе- ла и газовых потоков. В двигате- лях с неразделенными камерами сгорания и объемным смесеобра- зованием (рис. 11.11), используе- мыми в основном в стационарных, тепловозных и судовых дизелях, определяющее влияние на интен- сивность процесса смешивания паров топлива с воздушным заря- дом оказывает интенсивность кру- гового движения воздушного за- ряда к концу такта сжатия. Круго- вое движение воздушного заряда 1 Lф, мм dс,мм 120 100 80 60 40 20 0,2 0,4 0,6 2 Рисунок 11.10 – Влияние диаметра соплового канала многодырчатого распылителя на дальнобойность факела: давление начала подъема иглы рас- пылителя рвпр = 20 МПа; противо- давление среды рпр= 1,5 МПа; 1 – через 1 мс после начала впрыска; 2 – через 3 мс после начала впрыска Рисунок 11.9 – Влияние диаметра соплового канала дырчатого распылителя на качество распыливания топлива: давление впрыска постоянное, рвпр = 17,5 МПа; 1 – dс = 0,203 мм; 2 – dс = 0,508 мм) Vк , % 10 20 30 0 20 40 60 80 1 0 2 dк, мкм 389 достигается тангенциальным направлением каналов подвода воз- духа в головке цилиндров четырехтактных дизелей, заширмлени- ем впускных клапанов или тангенциальным направлением про- дувочных окон в гильзе цилиндров двухтактных дизелей. При тангенциальной скорости воздушного заряда на периферии каме- ры сгорания до 20 м/с в направлении движения заряда смещается только внешняя оболочка факела с мельчайшими частицами топ- лива (рис. 11.11, а). При тангенциальной скорости воздушного заряда до 50 м/с – искривляется ось факела (рис. 11.11, б), а при тангенциальной скорости воздушного заряда свыше 50 м/с – про- исходит разрушение факела. Поэтому в дизелях с неразделенной камерой сгорания с дырчатым распылителем количество отверс- тий распылителя подбирают таким образом, чтобы на режиме ра- боты дизеля при максимальной цикловой подаче топлива до на- чала воспламенения не происходило наложение факелов топлива. При наложении факелов распыленного топлива и повышенных цикловых подачах возникают зоны с переобогащением топливо- воздушной смеси, что снижает эффективность использования воздушного заряда, полноту сгорания топлива, увеличивает вы- бросы твердых частиц и токсичных веществ с отработавшими га- зами. Рисунок 11.11 – Схема взаимодействия факелов впрыскиваемого топлива с воздушным зарядом в неразделенной камере сгорания: а – тангенциальная скорость воздушного заряда на периферии камеры сгорания при Wт . 20 м/с; б – 20 м/с . Wт . 50 м/с a б Dк 390 Для исключения наложения факелов впрыскиваемого топ- лива возможное смещение вершины факела за период задержки воспламенения топлива при повышенных цикловых подачах топ- лива должно быть меньше длины дуги по периферии камеры сго- рания между осями факелов, т.е. с i n W Dк т . . . , (11.2) где Wт – тангенциальная скорость воздушного заряда на перифе- рии камеры сгорания, м/с; .i – период задержки воспламене- ния, с; Dк –диаметр камеры сгорания (рис. 11.11, а), м; nc – ко- личество сопловых отверстий в распылителе. С изменением частоты вращения коленчатого вала это соот- ношение практически не изменяется вследствие противополож- ного характера изменения Wт и .i от частоты вращения коленча- того вала. В двигателях с полуразделенными камерами сгорания, ис- пользуемых в основном в быстроходных автотракторных дизе- лях, камеры сгорания различных форм (тороидальных, цилинд- рических, шаровых и т.п.) обычно размещают в днище поршня. Объем камеры сгорания в поршне составляет 75–80 % объема камеры сжатия Vc. При отношении диаметра камеры сгорания в поршне к диаметру цилиндра Dк /D > 0,5 используют объемное смесеобразование, при отношении Dк /D < 0,4 – объемно- пленочное или пленочное. При пленочном смесеобразовании ис- пользуют обычно однодырчатые или двухдырчатые распылители, при объемном и объемно-пленочном – многодырчатые распыли- тели. Интенсивность смешивания паров топлива с воздушным за- рядом определяется тангенциальной, радиальной и осевыми ско- ростями перетекания воздуха из надпоршневого объема в полость камеры сгорания в поршне, то есть, зависит от отношения диа- метра горловины камеры к диаметру цилиндра, глубины камеры, надпоршневого зазора, частоты вращения коленчатого вала, на- правления и формы канала подвода воздуха к впускному клапану. Значительное увеличение тангенциальной составляющей скорос- ти воздушного заряда на входе в камеру сгорания в поршне к концу такта сжатия достигается также выфрезеровкой спираль- 391 ных углублений на поверхности днища поршня, обеспечивающих интенсивную закрутку воздушного заряда. Рассмотрим для примера особенности процессов пленоч- ного смесеобразования (М-процесс), реализованного в автотрак- торных дизелях фирмы МАН с полуразделенной камерой сгора- ния сферической формы (рис. 11.12) [4, 5]. Топливо впрыскивает- ся форсункой с однодырчатым распылителем под небольшим уг- лом к поверхности стенок каме- ры сгорания в направлении вра- щения воздушного заряда в ка- мере сгорания. Интенсивное вращение воздушного заряда в надпоршневой полости в камере сгорания достигается тангенци- альным направлением впускного канала и спиральными углубле- ниями 2 на поверхности днища поршня. Направление оси факе- ла 1 впрыскиваемого топлива под небольшим углом (. 15.) к сферической поверхности стен- ки камеры сгорания в направле- нии вращения воздушного заря- да обеспечивает равномерное растекание топлива по сфери- ческой поверхности стенки, об- разование тончайшей пленки топлива. Скорость испарения топлива с поверхности пленки, интенсивность образования паровоздушной смеси определяется температурой поверхности стенки камеры сгорания (. 300– 350.С), тангенциальной скоростью воздушного заряда (до 90 м/с). Вследствие относительно медленного испарения топлива с по- верхности пленки температура воздушного заряда в камере сго- рания снижается незначительно, что сокращает период задержки воспламенения, снижает скорость нарастания давления, уровень шума при сгорании. После воспламенения испарение топлива с Рисунок 11.12 – Схема взаимодействия факела впрыскиваемого топлива с воздушным зарядом в полураз- деленной камере сгорания с пленочным смесеобразованием 1 2 2 392 поверхности пленки происходит в основном за счет теплоты про- дуктов сгорания, излучения пламени. Полнота сгорания топлива при пленочном смесеобразовании не ниже, чем в двигателях с объемным смесеобразованием. При этом коэффициент избытка воздуха, соответствующий началу дымления, снижается до 1,1–1,2. В дизелях с разделенными камерами сгорания (вихревыми, предкамерами) степень сжатия в зависимости от диаметра ци- линдра составляет 18–23. Каналы, соединяющие камеру сгора- ния с надпоршневой полостью выполнены во вставках 1 из жаро- прочного материала (рис. 11.13). Температура этих вставок при повышенных нагрузках может достигать 600–700 .С, что предо- пределяет повышение температуры воздушного заряда, перете- кающего из надпоршневой полости в дополнительную камеру сгорания, быстрое испарение топлива, сокращение периода за- держки воспламенения до 0,3–0,4 мс, снижение скорости нарас- тания давления, уровня шума при сгорании. Объем вихревых ка- мер сгорания (сферических, цилиндрических) с направленным по касательной к поверхности стенок камеры сгорания движением потока воздуха из надпоршневой полости составляет 40–60 % от объема камеры сжатия, площадь поперечного сечения соедини- тельного канала составляет 0,01–0,03 от площади поршня. Объем предкамер не превышает 30 % от объема камеры сжатия, пло- щадь поперечного сечения соединительных каналов . 0,01 от площади поршня. При этих соотношениях объемов дополнитель- ных камер сгорания и объема камеры сжатия, площадей попереч- ного сечения соединительных каналов и площади поршня макси- мальная скорость перетекания воздуха из надпоршневой полости в дополнительную камеру сгорания может достигать 200–300 м/с. В вихревых камерах сгорания за один оборот коленчатого вала воздушный заряд совершает 30–50 оборотов, а за период задерж- ки воспламенения – 2–5 оборотов. Потери энергии на перетека- ние воздушного заряда из надпоршневой полости в вихревую ка- меру сгорания достигают в быстроходных дизелях 5–10 Дж/цикл. В вихревых камерах сгорания факел топлива пересекает вра- щающийся воздушный заряд практически по диаметру вихревой камеры. В предкамерах пересекающиеся струи воздуха из от- 393 верстий в стенке 1 создают интенсивную беспорядочную турбу- лизацию воздушного заряда. Эффективное смесеобразование и в случае вихревых камер сгорания и в случае предкамер достигает- ся благодаря большим скоростям потоков воздуха в камере сго- рания. В дизелях с разделенными камерами сгорания обычно ис- пользуются штифтовые распылители при давлениях начала подъема иглы распылителя форсунки 11,5–13 МПа. Максималь- ное давление впрыска топлива перед форсункой не превышает 30 МПа. Вихревые камеры сгорания применяются в дизелях с диа- метром цилиндра до 150 мм, предкамеры – в дизелях с диаметром цилиндра до 300 мм. Коэффициент избытка воздуха в дизелях с разделенными камерами сгорания при максимальных нагрузках снижается до 1,1–1,2. §3. Процессы воспламенения, сгорания и расширения Процессы воспламенения и сгорания в двигателях с воспла- менением топлива от сжатия происходят при значительной неод- нородности по составу и температуре топливовоздушной смеси в отдельных зонах камеры сгорания. Капли впрыскиваемого топ- лива, перемещаясь с большой скоростью (до 400 м/с) в газовой Рисунок 11.13 – Схемы взаимодействия факелов впрыскиваемого топлива с воздушным зарядом в разделенных камерах сгорания: а – вихревая камера; б – предкамера 1 – вставка из жаропрочного сплава; 2 – форсунка; 3 – свеча накаливания а б 1 2 1 2 3 394 среде с высокой температурой (. 600 .С) и давлением (. 3 МПа), разогреваются, испаряются, образуя в шлейфе капли смесь паров топлива и воздуха. Поскольку дизельное топливо имеет широкий фракционный состав с различной температурой кипения отдель- ных фракций (от 180 до 360 .С), первоначально с поверхности капель испаряются легкие фракции с температурой самовоспла- менения 350–500 .С, затем более тяжелые фракции с более низ- кой температурой самовоспламенения (. 300 .С). Поэтому пары легких фракций топлива прогреваются быстрее и до более высо- ких значений температуры. Однако воспламенение топлива на- чинается в тех зонах факела впрыскиваемого топлива, где кон- центрация тяжелых углеводородов с относительно более низкой температурой самовоспламенения достигает значений, при кото- рых возможно самоускорение реакций окисления углеводородов топлива. Количество очагов воспламенения, от которых пламя распространяется на смежные зоны гетерогенной топливовоз- душной смеси, невелико. Скорость распространения фронта пла- мени от очагов воспламенения в зависимости от состава топливо- воздушной смеси, давления и температуры смеси, интенсивности ее турбулизации изменяется в пределах 100–300 м/с, тогда как при сгорании гомогенных топливовоздушных смесей углеводо- родных топлив скорость фронта пламени не превышает 80 м/с [4]. Процессы воспламенения и сгорания топлива в дизелях ус- ловно можно разделить в зависимости от особенностей протека- ния физико-химических процессов на несколько периодов [2, 4]: . период задержки воспламенения I; . период быстрого сгорания II; . период управляемого сгорания III (интенсивность сгора- ния определяется в основном скоростью подачи топлива в камеру сгорания); . период догорания IV (интенсивность сгорания определя- ется скоростью диффузии кислорода в зону сгорания топлива). Периоду задержки воспламенения (участок I) соответствует промежуток времени .i от момента начала поступления топлива в камеру сгорания (момента начала подъема иглы распылителя) до момента начала видимого сгорания, соответствующего моменту 395 резкого повышения давления в камере сгорания (рис. 11.14, 11.15). Продолжительность периода задержки воспламенения за- висит от температуры и давления воздушного заряда к моменту начала поступления в камеру сгорания топлива, температуры са- мовоспламенения топлива. Чем выше температура и давление воздушного заряда к концу сжатия и ниже температура самовос- пламенения топлива (выше цетановое число), тем меньше пери- од задержки воспламенения топлива. Например, в дизеле с полу- разделенной камерой сгорания типа ЦНИДИ (S/D = 140/120; . = = 16,5; n = 1700 об/мин; .впр = 20 .ПКВ; топливо – дизельное летнее с температурой самовоспламенения порядка 310 .С; ЦЧ . 45) период задержки воспламенения .i . 1,3 мс (13 .ПКВ) (рис. 11.14). При использовании вместо дизельного топлива бен- зина А-72 (температура самовоспламенения порядка 400–470 .С, ЦЧ . 10) период за- держки воспламенения возрастает почти в 2 раза. В быстроходном вихрекамерном авто- мобильном дизеле на режиме внешней ско- ростной характеристи- ки при n = 3000 об/мин .i = 0,81 мс (14,5 .ПКВ) (рис. 11.15). С увели- чением частоты вра- щения коленчатого ва- ла до 5000 об/мин пе- риод задержки воспла- менения по времени несколько уменьшает- ся, а по углу поворота коленчатого вала воз- растает, процесс сго- рания смещается от ВМТ на такт расшире- ния. Рисунок 11.14 – Осциллограммы изменения параметров рабочих процессов в дизеле СМД-14Н с камерой сгорания в поршне типа ЦНИДИ при n = 1700 об/мин: z = 4; S/D = 140/120; . = 16,5; диаметр плунжера dпл = 8,5 мм; .впр . 20 .ПКВ; . = 1,5; ре . 0,65 МПа; 1 – давление топлива рт перед форсункой; 2 – подъем иглы форсунки; 3 – давление газов р в надпоршневой полости; 4 – отметка ВМТ; 5 – отметка времени (.. = 2 мс) 4 I II III IV р, МПа 8 6 4 2 0 рт, МПа 50 30 10 3 2 мс 5 .впр 1 2 396 Молекулы углеводородов испарившегося с поверхности ка- пель топлива сталкиваясь между собой или с молекулами азота, паров воды могут расщепляться на атомы или группы атомов, образуя химически более активные вещества с меньшей энергией активации, а сталкиваясь с молекулами кислорода, образуют по схеме неразветвленной цепной реакции продукты неполного окисления (спирты, альдегиды, формальдегиды, свободные ради- калы, пероксиды и т.п. ). Эти реакции сопровождаются люминес- центным свечением без заметного выделения теплоты. Затем в реакцию с кислородом вступают альдегиды, свободные радикалы с образованием более активных перекисей и появлением вторич- ного холодного пламени. По мере накопления активных центров реакций окисления возрастают скорости реакций окисления, вы- деление теплоты, начинается тепловое самоускорение реакций, переходящее в сгорание с желтым пламенем в зоне реакций окисления. Рисунок 11.15 – Осциллограммы изменения параметров рабочих процессов вихрекамерного дизеля ВАЗ-341 при n = 3000 об/мин: z = 4; S/D = 80/76; . = 23; .впр . 14,5 .ПКВ; рвпр . 13 МПа; ре . 0,65 МПа; 1 – давление топлива рт перед форсункой; 2 – подъем иглы форсунки; 3 – давление газов р в надпоршневой полости; 4 – отметка ВМТ; 5 – отметка времени (.. = 2 мс) р, МПа 2 4 рт, МПа 10 20 .впр 1 2 5 I II III IV 4 3 2 мс 397 Продолжительность периода задержки воспламенения слабо зависит от дисперсности распыливания топлива, так как в факеле впрыскиваемого топлива всегда имеются мелкие капли, предо- пределяющие образование зон с благоприятными условиями для возникновения очагов воспламенения паров топлива. Несколько большее влияние на период задержки воспламенения оказывает дальнобойность и направление факелов распыленного топлива. Подобный механизм воспламенения топлива характерен для дизелей с относительно невысокими степенями сжатия, соот- ветствующими давлению конца сжатия рс = 3–4 МПа и темпера- туре воздушного заряда 500–700 .С. При более высоких значени- ях давления и температуры воздушного заряда, например, в дизе- лях с жаровыми накладками на поршне период задержки воспла- менения сокращается до долей мс (до 0,1 мс), т.е. фазы предпла- менных реакций окисления углеводородов дизельного топлива сглаживаются. Процесс воспламенения топлива становится прак- тически одностадийным. Период задержки воспламенения топли- ва приближается к предельному значению, определяемому вре- менем, необходимым для распада струи впрыскиваемого топлива и частичного испарения мельчайших капель топлива. С умень- шением периода задержки воспламенения все большая часть топ- лива поступает в зону сгорания с недостатком кислорода. При этом снижается скорость реакций окисления углеводородов, ус- коряются процессы термического расщепления углеводородов с выделением свободного углерода, образованием сажи. Вследствие сложных взаимосвязей факторов, определяющих скорости протекания предпламенных реакций окисления углево- дородов топлива, продолжительность периода задержки воспла- менения оценивают по экспериментальным данным или по эмпи- рическим зависимостям определения продолжительности за- держки воспламенения для подобных схем организации процес- сов сгорания. Пример определения периода задержки воспламе- нения в дизелях с различными схемами организации рабочих процессов по осциллограммам изменения параметров рабочих процессов представлен выше (рис. 11.14 и 11.15). Период быст- рого сгорания (период II на рис. 11.14, 11.15) сопровождается резким нарастанием давления и температуры рабочего тела. Это- 398 му периоду сгорания топлива соответствует промежуток времени от начала воспламенения до момента достижения максимального давления газов в надпоршневой полости. Для рассматриваемых, например, режимов работы дизеля с полуразделенной камерой сгорания (рис. 11.14) и вихревой камерой сгорания (рис. 11.15) при работе на дизельном топливе продолжительность периода быстрого сгорания составляет соответственно 1,2 мс (12,3 .ПКВ) и 0,33 мс (6 .ПКВ) скорость нарастания давления .рII ..II = = 0,33 и 0,22 МПа .ПКВ. При использовании вместо дизельного топлива бензина (ЦЧ . 10) продолжительность периода быстрого сгорания уменьшается в 2–3 раза, возрастает в несколько раз ско- рость нарастания давления. Здесь .рII – повышение давления га- зов в надпоршневой полости в течение второго периода сгорания и ..II – продолжительность второго периода сгорания в .ПКВ. Высокие скорости нарастания давления газов в надпоршне- вой полости в период быстрого сгорания обусловлены высокими скоростями распространения фронта пламени (. 100 м/с) от оча- гов сгорания, образующихся к началу периода быстрого сгора- ния. Первоначально сгорает смесь паров испарившегося топлива и воздуха. Чем больше испарится топлива в течение периода за- держки воспламенения топлива, тем выше будет скорость нарас- тания давления. Реакции окисления перекисей, образовавшихся в течение периода задержки воспламенения, и углеводородов испарившего- ся топлива во фронте пламени, распространяющемся от очагов воспламенения, как и в двигателе с искровым зажиганием (см. подраздел 10.3) являются многостадийными, развивающимися по схеме разветвленных цепных реакций. Более высокие температу- ра и давления топливовоздушных смесей в дизелях, многоочаго- вый характер их самовоспламенения, интенсивная турбулизация топливовоздушных смесей предопределяют высокие скорости реакций окисления топлива, высокие скорости распространения фронта пламени от очагов воспламенения. Скорость нарастания давления в период быстрого сгорания определяет «жесткость» процесса сгорания, уровень динамичес- ких нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма, уро- вень шума процесса сгорания. Жесткос
|
| Статистика |
|---|
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|