close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Влияние разделённых и полуразделённых камер сгорания на рабочий процесс дизеля при использовании альтернативных видов топлива..pdf

код для вставкиСкачать
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (130) 2014
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.432
В. Р. ВЕДРУЧЕНКО
Н. В. ЖДАНОВ
Е. С. ЛАЗАРЕВ
Омский государственный
университет путей сообщения
ВЛИЯНИЕ РАЗДЕЛЁННЫХ
И ПОЛУРАЗДЕЛЁННЫХ КАМЕР
СГОРАНИЯ НА РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС
ДИЗЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА
Проанализированы особенности использования альтернативных видов топлива в дизелях
и показаны пути технической реализации таких мероприятий. Выполнен развёрнутый
анализ влияния типа смесеобразования, обусловленного фор-мой камеры сгорания,
в дизелях различного назначения на показатели работы двига-телей.
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
Ключевые слова: альтернативное топливо, камера сгорания дизеля, смесеобразование,
рабочий процесс двигателя, токсичность отработавших газов, экономическая эффективность.
Применение полуразделенной камеры на дизелях
различных типов показало возможность увеличения
экономичности двигателя при работе на дизельном
топливе. С другой стороны, как показали исследования, проведенные на нескольких четырехтактных
дизелях с камерой сгорания ЦНИДИ (рис. 1), дизели
могут быть приспособлены к работе на различных
152 топливах практически без изменения мощностных
и экономических показателей. Таким образом, можно сочетать улучшение конструкции дизелей с решением задачи их многотопливности [1?10].
Из числа камер сгорания, применяемых за рубежом и обеспечивающих объемно-пленочное или приближающееся к пленочному смесеобразование, наиболее широко известна камера сгорания фирмы
MAN (ФРГ), так называемая камера с процессом М.
Принципиальное отличие камеры М от камеры
ЦНИДИ состоит в том, что в камере М создается
вращательное относительно оси цилиндра движение
воздуха.
Дизели с М-процессом имеют высокую топливную экономичность в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, процесс сгорания происходит в них почти бесшумно (практически не прослушивается на фоне других шумов двигателя), для
них можно использовать различные топлива с интервалом кипения 45?400°С.
В камере ЦНИДИ (рис. 1)организованное движение воздушного заряда обусловливается формой камеры и перетеканием газов при движении поршня
При этом вращательное движение газов вокруг оси
цилиндров не является необходимым и в большинстве случаев практически отсутствует.
В камере сгорания фирмы МАN форсунку устанавливают наклонно со смещением относительно оси
цилиндра. В камере ЦНИДИ наряду с таким положением форсунка может устанавливаться также вертикально и в центре. Все это делает камеру ЦНИДИ
более универсальной. Не имея преимуществ в отношении экономичности, камера М обуславливает
меньшую скорость нарастания давления при сгорании [1?10].
В этих отношениях ещё лучше зарекомендовали
себя разделенные камеры (рис. 2, 3, 4) состоящие из
двух полостей надпоршневой и отделенной, соедине-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014
Рис. 1. Схема камеры сгорания с кольцевым вихрем
(ЦНИДИ): схема движения воздушного заряда
и факелов топлива
нной с надпоршневой одним или несколькими каналами небольшого сечения. Вследствие этого наполнение отделенной части камеры в процессе сжатия осуществляется при значительном перепаде давлений,
что создает в ней интенсивные турбулентность и
перемешивание распыливаемого топлива с зарядом
воздуха, мало зависящее от количества и массовой
скорости впрыскиваемого топлива.
Вторая характерная особенность разделенных камер заключается в том, что, хотя часть их поверхности охлаждается менее интенсивно, чем стенки неразделенных камер, они имеют повышенную температуру [7, 9, 10].
Вихревые камеры шаровой, цилиндрической или
бочкообразной формы располагают в головке блока
цилиндров или в верхней части блока цилиндров и
соединяют с надпоршневым пространством камеры
сгорания одним-тремя каналами цилиндрической или
овальной формы (рис. 2а), выполняемыми в горячей
вставке касательно к окружности камеры. Это создает в камере организованный вихрь. Топливо подается, как правило, штифтовой или клапанной форсункой в направлении к поверхности горячей вставки.
Меняющийся полый факел распыленного топлива
хорошо распределяет топливо в объеме камеры, что
позволяет использовать малые значения (?=1,15?1,4).
В дизелях малых размерностей (Dц<80 мм) не удается достаточно удовлетворительно организовать совершенное смесеобразование при непосредственном
впрыске топлива, так как для этого многосопловые
распылители должны иметь диаметры отверстий менее 0,15?0,2 мм (чтобы создать высокие давления
распыливания), но такие распылители быстро закоксовываются [10].
Вместе с тем разделенные камеры имеют и существенные недостатки. Вследствие высоких скоростей движения заряда (что предопределяет повышенный коэффициент теплоотдачи) и более развитой
поверхности, омываемой горячими газами, тепловые
потери у этих камер значительно более высокие,
чем при неразделенных камерах. Поэтому у дизелей
с разделенными камерами сгорания удельные расходы топлива на режимах основных рабочих нагрузок
на 10?20 г/(л. с.·ч) более высокие, чем при неразде-
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
Рис. 2. Разделённые камеры сгорания быстроходных дизелей (конструктивное исполнение):
а, б ? вихревые КС; в, г ? предкамерное смесеобразование
153
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (130) 2014
ленных камерах, заметно ухудшаются пусковые качества дизелей, неизбежна повышенная отдача тепла
в охлаждающую среду. При сгорании топлива давление в камере возрастает, несколько превышая давление в цилиндре (рис. 2а, б), вследствие чего продукты
сгорания вместе с воздухом и несгоревшей частью
топлива перетекают в цилиндр, где происходит их
дальнейшее перемешивание с воздухом, заключенным
в надпоршневом пространстве, и интенсивное движение несгоревшего топлива [10].
Для сокращения периода задержки воспламенения впрыскиваемое форсункой топливо обычно направляется на поверхность неохлаждаемой в камере
вставки.
В отечественном автотракторном дизелестроении
получили распространение вихревые камеры сгорания сферической формы с неохлаждаемой или теплоизолированной вставкой и одним соединительным
каналом (рис. 2а, б). Наилучшие результаты по топливной экономичности дизелей с вихревыми камерами сгорания, при использовании штифтовых распылителей с углом конуса распыливания 4?15?, достигаются при интенсивности вихревого движения воздуха ?=25?40 [10].
Предкамеры (рис. 2в, г). Отделенная от основной
камеры соединительным каналом предкамера представляет полость, объем которой составляет 20?35%
объема пространства сжатия. Полость размещена в
головке блока и соединена одним или несколькими
каналами относительно небольшого сечения с надпоршневым пространством.
При ходе сжатия воздух перетекает из цилиндра
в предкамеру, при этом в последней образуются вихревые движения. Топливо впрыскивается через односопловой распылитель с небольшим конусом распыливания во избежание его оседания на боковых стенках предкамеры (рис. 2в, г). В последней топливо
воспламеняется, но из-за недостатка кислорода сгорает частично, вызывая повышение давления в предкамере по сравнению с давлением в цилиндре на 10?
15 кгс/см2 (1?1,5 МПа).
Под действием создавшегося перепада давления
горящие газы с остальной частью топлива выбрасываются через соединительный канал в надпоршневое
пространство.
К преимуществам предкамерного смесеобразования относятся малые скорости нарастания давления
и невысокие максимальные давления цикла в основной камере, составляющие на полной нагрузке без
наддува 2?4 кгс/(см2 ·град) (0,2?0,39 МПа/град) к
65?70 кгс/см2 (0,4?6,9 МПа), а также возможность
бездымной работы до ?=1,3?1,25 [10].
Недостатком предкамерного смесеобразования
является трудный пуск дизелей без специальных мер
(даже при увеличенной степени сжатия ?=17?21) изза большого отношения внутренней поверхности
камеры сгорания к ее объему.
Повышенные тепловые и гидравлические потери,
связанные с перетеканием топлива из цилиндра в
предкамеру и обратно, а также потери на вихреобразование и распыливание топлива интенсивными потоками газов, приводят к увеличению удельного расхода топлива до 200?220 г/(л. с.·ч) [270?273 г/(кВт·ч))
для дизелей средних и больших размерностей [6?8].
Семейство многотопливных предкамерных дизелей фирмы Катерпиллер (КС одной их моделей приведена на рис. 3 включает несколько моделей с различным числом и расположением цилиндров: четырехцилиндровый с рядным расположением мощно154 стью 320 л. с. шестицилиндровый рядный мощностью
Рис. 3. Камера сгорания многотопливного предкамерного
дизеля фирмы Катерпиллер LVMS 1050
(конструктивное исполнение)
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
480 л. с., восьмицилиндровый V-образный мощностью
640 л. с. Наиболее мощный дизель модели LVMS 1050
имеет 12 цилиндров с V-образным расположением.
Он развивает мощность 960 л. с. при числе оборотов
2800 в минуту; диаметр цилиндров D=114,3 мм; ход
поршня S=139,7 мм; рабочий объём Vh=17,22 л; степень сжатия ?=19,5. Двигатель имеет очень высокое
среднее эффективное давление ре, достигающее на
номинальном режиме 18 кг/см2.
Дизель с предкамерой малого перепада давления
(МВМ). Многотопливный предкамерный дизель
МВМ (ФРГ) создан на базе предкамерного дизеля
обычного типа с воздушным охлаждением, что само
по себе уже способствует достижению многотопливности. КС такого дизеля приведена на рис. 4.
Воздушно-вспомогательные камеры. Воздушновспомогательные камеры состоят из воздушной камеры, расположенной в головке блока, и главной
камеры в надпоршневой полости. В отличие от вихревых камер и предкамер топливо подается не в дополнительную, а в надпоршневую полость, которая может иметь различную конфигурацию [10].
По данным испытаний ЦНИЛТД (Центральная
научно-исследовательская лаборатория токсичности
двигателей) компоненты отработавших газов дизелей
с разделенными камерами сгорания менее токсичны
по сравнению с компонентами отработавших газов
дизелей с непосредственным впрыском (табл. 1).
Давления и температуры сгорания при разделенных камерах также ниже, чем при непосредственном
впрыске. Так как окислы азота образуются, прежде
всего, при наличии свободного кислорода и высоких
температурах, то естественно, что при разделенных
Рис. 4. Камера сгорания многотопливного предкамерного
дизеля фирмы МВМ (конструктивное исполнение)
?аблица 1
?средненная оценка токсичности (г/л. с.·ч (г/кВт·ч)) дизелей с разделенными камерами и с непосредственным впрыском топлива
Дизели
вихрекамерные
с непосредственным
впрыском
Окислы азота
8?12
(10,9?16,3)
20?25
(27,2?34)
Сажа
0,5?1,5
(0,7?2)
2?2,5
(2,7?3,4)
Рис. 5. Индикаторная диаграмма дизеля
при смесеобразовании:
1 ? объёмном;
2 ? плёночном (Рц ? давление в цилиндре)
Рис. 7. Характер диаграммы давления в цилиндре
предкамерного дизеля:
1 ? над цилиндром; 2 ? в предкамере
Дизели
вихрекамерные
с непосредственным
впрыском
Окись углерода
0,3?1,5
(0,4?2,0)
2?5
(2,7?6,8)
Углеводороды
0,2?0,3
(0,3?0,4)
0,3?0,5
(0,4?0,7)
Рис. 6. Изменение давления за период сгорания
(вихрекамерный дизель):
? в вихревой камере;
? в
цилиндре
Для вспомогательных двигателей чаще всего используются быстроходные дизели с вихрекамерным
смесеобразованием и тороидальными камерами в
поршне, менее чувствительные к качеству топлива
[3?9].
На рис. 5, 6, 7 представлены характерные индикаторные диаграммы разных дизельных двигателей с
различными способами смесеобразования, что даёт
возможность судить о динамике процесса сгорания
в КС разных конструкций, о их влиянии на жёсткость рабочего цикла дизельного двигателя [11?14].
Выводы.
1. При принятии решений по переводу дизелей
на альтернативные виды топлива форма камеры сгорания играет одну из главных ролей при реализации
инженерных технических мероприятий.
2. Важным фактором и мотивами использования
АВТ является одновременное решения задач снижения токсичности отработавших газов дизелей и повышения их экономичности, что достигается использованием полуразделённых камер сгорания в дизелях.
3. Значимость экономической оценки ущерба от
загрязнения окружающей среды отработавшими
газами двигателей предполагает дальнейшее совершенствование законодательной базы в этом направлении.
Библиографический список
1. Гершман, И. И. Многотопливные дизели / И. И. Гершман,
А. П. Лебединский. ? М. : Машиностроение. 1971. ? 224 с.
2. Демьянов, Л. А. Многотопливные двигатели / Л. А. Демьянов, С. К. Сарафанов. ? М. : Воениздат, 1968. ? 104 с.
3. Сомов, В. А. Судовые многотопливные дизели / В. А. Сомов, Ю. Г. Ищук. ? Л. : Судостроение, 1984. ? 240 с.
4. Судовые двигатели внутреннего сгорания : учебник /
Ю. Я. Фомин [и др.]. ? Л. : Судостроение, 1989. ? 344 с.
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
камерах сгорания физико-химические и температурные условия меньше способствует их образованию
[9, 10].
Английской дизелестроительной фирмой Перкинс
разработан процесс для быстроходного дизеля малого
типоразмера без наддува с непосредственным впрыском топлива, с низкой токсичностью компонентов
отработавших газов ? близкой к той, которая достигается при разделенных камерах сгорания.
Добавим, что в составе дизельных СЭУ судов
внутреннего плавания преимущественно используются главные (пропульсивные) дизели с КС типа Гессельман, типа Гарднер, камеры ЦНИДИ [6?9].
Токсичные
компоненты
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014
Токсичные
компоненты
155
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (130) 2014
5. Лебедев, О. Н. Двигатели внутреннего сгорания речных
судов / О. Н. Лебедев, В. А. Сомов, С. А. Калашноков. ? М.:
Транспорт, 1990. ? 328с.
6. Хандов, З. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания/
З. А. Хандов. ? М. : Транспорт, 1969. ? 304 с.
7. Ваншейдт, В. А. Конструирование и расчет прочности
судовых дизелей / В. А. Ваншейдт. ? Л. : Судостроение, 1987?
476 с.
8. Гогин, А. Ф. Судовые дизели / А. Ф. Гогин, Е. Ф. Кивалкин, А. А. Богданов. ? М. : Транспорт, 1988. ? 439 с.
9. Дизели : справ. / Под общ. ред. В. А. Ваншейдта,
Н. Н. Иванченко, Л. К. Коллерова. ? 3-е изд., перераб. и доп. ?
Л. : Машиностроение, 1977. ? 480 с.
10. Тракторные дизели : справ. / Б. А. Взоров [и др.] ; под
общ. ред. Б. А. Взорова. ? М. : Машиностроение, 1981. ? 535 с.
11. Ведрученко, В. Р. О выборе схем и разработке технических решений систем топливоподачи альтернативных и тяжелых топлив в дизелях. Часть 1 / В. Р. Ведручеко, В. В. Крайнов,
Н. В. Жданов, М. В. Кульков // Омский научный вестник.
Сер. Приборы, машины и технология. ? 2010. ? № 2 (90). ?
С. 157?162.
12. Ведрученко, В. Р. Характеристики альтернативных видов топлива и их влияние на рабочий процесс дизельных двигателей / В. Р. Ведрученко // Промышленная энергетика. ?
2010. ? № 12. ? С. 50?58.
13. Ведрученко, В. Р. Влияние состава и свойств традиционных и альтернативны топлив на показатели динамичности рабо-
УДК 621.316.5
чего цикла и регулировочные параметры дизелей / В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Н. В. Жданов // Энергетика и теплотехника : сб. науч. тр. ? Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012.?
Вып. 17. ? С. 57?69.
14. Ведрученко, В. Р. Дисперсные топливные системы как
энергоносители до стационарных теплогенерирующих установок и двигателей транспортных средств / В. Р. Ведрученко,
В. В. Крайнов, М. В. Кокшаров // Повышение эффективности
объектов теплоэнергетики и систем теплоснабжения : межвуз.
темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. ?
Омск, 2012. ? С. 28?33.
ВЕДРУЧЕНК? Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры
«Теплоэнергетика».
ЖДАН?В Николай Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика».
ЛАЗАРЕВ Евгений Сергеевич, аспирант кафедры
«Теплоэнергетика»; инженер ООО «Фаренгейт».
Адрес для переписки: 644046, г. Омск-46, пр. Маркса,
35, ОмГУПС.
Статья поступила в редакцию 14.01.2014 г.
© В. Р. Ведрученко, Н. В. Жданов, Е. С. Лазарев
А. П. ПОПОВ
О. П. КУРАКИНА
Омский государственный
технический университет
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ЗАТРАТ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
НА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ТОКА
В ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКЕ
С ЗАДАННЫМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ
В статье рассматриваются различные способы ускорения тока при переключении
его в индуктивной нагрузке при допустимых затратах электрической энергии.
Ключевые слова: быстродействие переключения тока, затраты электрической энергии,
индуктивная нагрузка, энергия магнитного поля.
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
В различных устройствах автоматики, электроники применяется коммутация тока в обмотках, создающих заданную величину магнитного поля. При этом
необходимо осуществлять коммутацию тока таким
образом, чтобы было обеспечено достаточно высокое быстродействие при допустимых затратах электрической энергии источников постоянного напряжения. В этом случае возникают известные несовместимые требования, когда необходимо одновременно
обеспечить высокое быстродействие (высокую картину нарастания тока) и малое потребление электрической энергии на создание магнитного поля.
В связи с этим возникает как задача обеспечить
необходимую скорость установления тока в индуктивной нагрузке, так и задача гашения энергии маг156 нитного поля, запасенной в этой индуктивной нагруз-
ке. Процессы гашения поля нагрузки в данной статье
не рассматриваются.
Рассмотрим различные способы ускорения установления тока при заданной величине индуктивности
обмотки (Lн), активном сопротивлении её (R0), длительности фронта нарастания тока (tфр) и заданной
величине тока в установившемся режиме (i уст) или
энергии магнитного поля ( W ?
2
Lнi уст
2
).
Способ 1. Увеличение быстродействия за счет
включения последовательно с нагрузкой балластного
сопротивления (Rб).
На рис. 1 схематически изображен простейший
переключатель тока в индуктивно-активной нагрузке,
состоящий из переключающего элемента K, источ-
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа