автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Рабочий процесс дизеля с кумулятивной камерой сгорания

г) •#

У /

V/ С-

//¿52 ^

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЛГОГРАДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

ГРИШКО Владимир Николаевич

РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДИЗЕЛЯ С КУМУЛЯТИВНОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ

Специальность: 05.04.02 - тепловые двигатели

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: академик, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Н.Г.Кузнецов; кандидат технических наук,

профессор

А.Я.Никитин

Волгоград 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Аннотация ................................................. 4

Основные обозначения ...................................... 5

Введение.................................................. 8

Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследования..... 12

1.1. Анализ факторов, влияющих на период задержки самовоспламенения в дизеле ....................... 12

1.2. Влияние способов смесеобразования на показатели и процесса сгорания ........................... 15

1.3. Анализ работ по совершенствованию процесса сгорания в дизелях ............................... 24

1.4. Кумулятивная камера сгорания и принцип ее работы ............................................. 29

1.5. Выводы. Цель и задачи исследования ............... 33

Глава 2. Теоретическое обоснование выбора способа смесеобразования и сгорания для высокооборотного дизеля ........................................... 36

2.1. Анализ требований к организации цикла со смешанным подводом теплоты при форсировании дизеля ............................................... 36

2.2. Основы расчета кумулятивной камеры сгорания---- 42

2.3. Исследование процессов перетекания заряда и тепловыделения в дизеле с кумулятивной камерой сгорания......................................... 48

2.4. Выводы........................................... 51

Глава 3. Экспериментальная установка измерительная аппаратура и методика проведения экспериментов____ 52

3.1. Программа исследования ........................... 52

3.2. Объект исследований и экспериментальная установка ............................................ 54

3.3. Оценка дымности отработавших газов................ 56

3.4. Особенности индицирования экспериментального дизеля ........................................... 57

- з -

3.5. Методика экспериментального определения оптимальных конструктивных соотношений исследуемых камер сгорания ................................... 60

3.6. Методика определения оптимальных параметров

топливоподающей аппаратуры....................... 68

3.7. Выводы...................................... 70

Глава 4. Определение оптимальных конструктивных соотношений исследуемых камер сгорания и параметров топливоподающей аппаратуры...................... 71

4.1. Экспериментально-аналитическое определение оптимальных конструктивных соотношений кумулятивной камеры сгорания 1-го варианта (ККС-1)----71

4.2. Оптимизация конструктивных параметров усовершенствованной кумулятивной камеры сгорания (ККС-2)........................................... 75

4.3. Определение параметров топливоподающей аппаратуры ............................................. 82

4.3.1. Влияние профиля кулачка вала топливного насоса____ 84

4.3.2. Влияние диаметра сопловых отверстий распылителя и давления впрыска топлива форсунки............ 89

4.3.3. Влияние ориентации топливных факелов.............. 97

4.4. Выводы........................................... 100

Глава 5. Исследование рабочего процесса дизеля............. 102

5.1. Влияние угла опережения подачи топлива............ 102

5.2. Анализ показателей рабочего процесса при изменении скоростного режима......................... 108

5.3. Характер тепловыделения в дизеле при изменении скоростного режима............................... 122

5.4. Зависимость показателей работы дизеля от нагрузки ............................................ 135

5.5. Выводы........................................... 146

Заключение ................................................ 148

Литература................................................ 152

Приложение ................................................ 162

АННОТАЦИЯ

Диссертационная работа посвящена изысканию способа осуществления процесса тепловыделения, позволяющего за счет сокращения общей продолжительности сгорания обеспечить возможность форсирования дизеля по частоте вращения коленчатого вала.

На основе анализа схем организации подобных рабочих процессов предложены два варианта экспериментальной кумулятивной камеры сгорания. С помощью многофакторного исследования определены основные конструктивные параметры предлагаемых камер сгорания и установлена степень их влияния на рабочий процесс дизеля на различных скоростных режимах.

Выявлено оптимальное сочетание параметров топливоподающей аппаратуры, позволяющее сохранить высокие выходные показатели дизеля в условиях его форсирования по частоте вращения коленчатого вала.

Проведено исследование рабочего процесса, определены динамические параметры цикла и дан анализ характера тепловыделения в цилиндре дизеля в широком диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала и нагрузки.

Показано, что применение кумулятивной камеры сгорания вместо открытой позволяет интенсифицировать процесс горения топлива, сокращает общую продолжительность тепловыделения на 25%, что дает возможность повысить скоростной режим дизеля с 1600 до 2000 мин™1 без ухудшения топливной экономичности.

На основании результатов проведенных исследований рекомендованы практические мероприятия по совершенствованию рабочего процесса в дизелях.

Илл. 31, табл. 12, библ. 126, стр. "163.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1_ - расстояние между центрами радиусов боковой поверхности кумулятивной камеры сгорания, м; К'б - радиус округления боковой поверхности ККС, м;

- расстояние от оси поршня до центра дополнительной шаровой полости, м;

Н - расстояние от поверхности днища поршня до центров шаровых

полостей, м; И - глубина камеры сгорания, м; 1 - длина соединительного канала, м; 6 - диаметр соединительного канала, м; 3 - угол наклона соединительного канала, град; Зк - угол раскрытия диффузорного соединительного канала, град; Тк ~ угол поворота оси соединительного канала относительно оси топливных факелов; _ угол раскрытия топливных факелов; к - угол расположения сопловых отверстий распылителя, град; Оц - диаметр цилиндра, м; 0П - диаметр поршня, м; 0Шп - диаметр шаровых полостей, мм; пшп - количество шаровых полостей; Инр - выступание носка распылителя, мм; Ьи ~ величина подъема иглы форсунки, мм; с!с - диаметр соплового отверстия распылителя форсунки, мм; Лс ~ количество сопловых отверстий в распылителе форсунки; 1Ф - длина топливного факела, мм; Ус - объем камеры сжатия, м3 ; Уь - рабочий объем цилиндра, м3 ; Укс - объем камеры сгорания, м3 ; Уд - объем дополнительной шаровой полости, м3; ¥шп - суммарный объем дополнительных шаровых полостей, м3 ; VI - текущее значение объема над поршнем, м3 ; и - удельный объем, м3/кг;

1 к - площадь проходных сечении соединительных каналов, м~ ;

- б -

fc - площадь проходного сечения соплового отверстия распылителя форсунки, мм2 ; Рфо - давление начала впрыска, МПа; Рср - среднее давление впрыска, МПА; Pi,Ре- среднее индикаторное и эффективное давление, МПа;

Рм - среднее давление механических потерь, МПа; Ра,Рс~ давление в начале и конце сжатия, МПа;

Рг - давление в конце выпуска, МПа; РД}Рц- давление в дополнительных полостях и в цилиндре, МПа; Р2Д,Pz-максимальное давление сгорания в дополнительных полостях

и в цилиндре, МПа; Gb,Gt- расход воздуха и топлива, кг;

Оца» Garмасса газа в начале сжатия в дополнительных полостях и в цилиндре, кг;

6д,в - масса газа в дополнительных полостях и в цилиндре, кг; <х,оСд- коэффициент избытка воздуха суммарный и в дополнительных полостях;

R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кгК); Тг - температура отработавших газов, К; Тгд,Tg-максимальная температура в дополнительных полостях и в цилиндре, К;

Та,Тс- температура в начале и в конце сжатия, К; Оо,Чц- цикловая подача топлива, кг/цикл; Е - энергия истечения газа, Дж; w - скорость истечения газа, м/с; д - коэффициент расхода; g - ускорение свободного падения, м/с ; КД,К - показатель адиабаты в дополнительных полостях и в цилиндре; Qq,%- количество топлива, выгорающего в цилиндре и в дополнительных полостях, кг ; -период задержки самовоспламенения в дополнительных полостях и в цилиндре, мс; Wpflmax,Wp- максимальная скорость изменения давления сгорания в

дополнительных полостях и в цилиндре, МПа/1°; Ne,Ni- эффективная и индикаторная мощность, кВт; Ыл - литровая мощность, кВт/м3 ; Ne - эффективный КПД; Tii - индикаторный КПД; - механический КПД;

nt ~ термический КПД;

n - частота вращения коленчатого вала дизеля, мин-1; х iд,х i-коэффициент активного тепловыделения в дополнительных полостях и в цилиндре; Ни - низшая теплота сгорания, Дж/кг; ge*удельный эффективный и индикаторный расходы топлива, г/(кВтч);

8 - угол опережения впрыска топлива, °п.к.в.; ф - угол поворота коленчатого вала, °п.к.в.; Фгд»Фг~продолжительность сгорания топлива в дополнительных полостях и в цилиндре ККС, °п.к.в.; Фвпр}Фт~ продолжительность подачи топлива, °п.к.в.;

ИНДЕКСЫ

ср - средний, const - постоянный, i - текущее значение параметра; - индексы, характеризующие параметры газа соответственно втекающего в дополнительные полости и вытекающего из них.

СОКРАЩЕНИЯ

ККС-1 - кумулятивная камера сгорания 1-го варианта; ККС-2 - кумулятивная камера сгорания 2-го варианта; ОКС - открытая камера сгорания ; °п.к.в. - градус поворота коленчатого вала.

НМТ - нижняя мертвая точка ВМТ - верхняя мертвая точка КС - камера сгорания

ВВЕДЕНИЕ

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 объемно- пленочный 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 пространственно- временное 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 факто-

ров 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.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Анализ факторов, влияющих на период задержки самовоспламенения в дизеле

В настоящее время для современного дизеля следует признать оптимальным такой процесс сгорания, который регламентируется не только необходимостью получения максимальной экономичности, но и заданными пределами повышения максимального давления цикла и скорости его нарастания в возможно более широком диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.

Особое внимание при этом следует уделять уменьшению пе�