«Улучшение показателей рабочего процесса дизеля применением водородосодержащего топлива и сверхвысокого давления в аккумуляторе топливной системы» тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат наук Нгуен Тхин Куинь

• Нгуен Тхин Куинь
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Тхин Куинь

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ БИОТОПЛИВ И ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВПРЫСКИВАНИЯ В ДИЗЕЛЯХ

1.1 Применение биотоплив в дизелях

1.1.1 Способы применения газовых биотоплив

1.1.2 Способы применения жидких биотоплив

1.2 Влияние условий истечения топлива на показатели процесса впрыскивания

1.2.1 Влияние давления впрыскивания на параметры топливной струи

1.2.2 Влияние давления наддува на параметры топливной струи

1.3 Основные результаты и выводы по первой главе. Постановка цели и задач

исследования

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ НА ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЯ ПОДАЧИ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩЕГО ТОПЛИВА В КАЧЕСТВЕ ПРИСАДКИ

2.1 Установка для получения водородосодержащего топлива на борту транспортного средства и стенд для проведения моторных испытаний

2.2 Экспериментальная оценка влияния водородосодержащей присадки на показатели дизеля

2.3 Основные результаты и выводы по второй главе

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ В ТОПЛИВНОМ АККУМУЛЯТОРЕ НА

ФОРМУ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВПРЫСКИВАНИЯ

3.1. Расчетное исследование влияния конструкции электрогидравлической форсунки на форму характеристики впрыскивания

3.2 Экспериментальная оценка зависимости формы характеристики впрыскивания от давления в топливном аккумуляторе

3.3 Основные результаты и выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ ПРИ СОВМЕСТНОЙ ПОДАЧИ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩЕГО И ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВ С УВЕЛИЧЕНИЕМ ДАВЛЕНИЯ В ТОПЛИВНОМ АККУМУЛЯТОРЕ

4.1 Исследование влияния параметров, определяющих рабочий процесс дизеля, на его экологические и энергоэкономические показатели при повышении давления

впрыскивания дизельного топлива

4.1.1 Моделирование рабочего процесса дизеля

4.1.2 Влияние параметров камеры сгорания и давления наддува на показатели рабочего процесса дизеля при давлении впрыскивания 300 МПа

4.1.3 Влияние рециркуляции отработавших газов на показатели рабочего процесса дизеля при давлении впрыскивания 300 МПа

4.1.4 Влияние параметров распыливающих отверстий на показатели рабочего процесса дизеля при давлении впрыскивания 300 МПа

4.2 Исследование рабочего процесса дизеля с использованием HHO при высоком давлении впрыскивания дизельного топлива

4.3 Основные результаты и выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему ««Улучшение показателей рабочего процесса дизеля применением водородосодержащего топлива и сверхвысокого давления в аккумуляторе топливной системы»»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. По оценке Евросоюза, проведенному для временного диапазона 2025 ... 2040 г.г. дизель будет оставаться одной из основных энергетических установок для тяжелых грузовиков, магистральных тягочей, автобусов, строительной и сельскохозяйственной техники. Аналогичный прогноз характерен как для Вьетнама, так и для всех стран Азии. При этом требуемое увеличение литровой мощности транспортных двигателей в соответствии с ужесточающимися экологическими требованиями приводит к необходимости поиска дальнейших путей улучшения показателей их рабочего процесса, наряду с применением многократного впрыскивания, рециркуляции отработавших газов и их нейтрализации, а также фильтрации дисперсных частиц.

К дальнейшим направлениям улучшения показателей рабочего процесса относят уменьшение доли углерода в молекулярном составе топлива и снижения количества углекислого газа, выделяемого при его получении; применение газовых топлив и энергоносителей, получаемых из возобновляемых источников.

Наряду с проведением ранее не используемых широко мероприятий намечено дальнейшее повышение степени наддува и, как следствие, увеличение давления впрыскивания топлива.

В этой связи работа, направленная на исследование возможности снижения токсичности отработавших газов дизеля применения топлива, несодержащего углерод, а также на поиск рационального сочетания давления наддува и давления в топливном аккумуляторе в зависимости от режима его работы и параметров камеры сгорания, является актуальной.

Цель работы. Улучшение экологических и энергоэкономических показателей рабочего процесса дизеля применением водородосодержащего топлива и повышением давления в топливном аккумуляторе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: • разработать конструкцию топливной системы для подачи во впускной трубопровод водородосодержащего топлива и его производства на борту

транспортного средства;

• провести анализ влияния на показатели дизеля водородосодержащего топлива, подаваемого совместно с дизельным топливом;

• усовершенствовать методику регистрации характеристики впрыскивания электрогидравлической форсунки;

• проанализировать воздействие повышения давления в топливном аккумуляторе и влияние длительности управляющего импульса на форму характеристики впрыскивания электрогидравлической форсунки;

• провести расчетные исследования и разработать рекомендации по формированию рабочего процесса дизеля при совместной подаче водородосодержащего и дизельного топлив с увеличением давления в топливном аккумуляторе.

Научная новизна. Проведенные исследования позволили получить следующие новые научные результаты:

• усовершенствованная методика регистрации характеристики впрыскивания;

• анализ взаимного влияния высоких давлений наддува (до 0,45 МПа) и впрыскивания (до 300 МПа) на показатели рабочего процесса дизеля в зависимости от геометрических параметров его камеры сгорания, скоростного и нагрузочного режимов работы;

• рекомендации по формированию рабочего процесса дизеля при совместной подаче водородосодержащего и дизельного топлив с увеличением давления в топливном аккумуляторе.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в следующем:

• разработана конструкция топливной системы для подачи во впускной трубопровод водородосодержащего топлива и его производства на борту транспортного средства;

• проведен анализ влияния на показатели дизеля водородосодержащего топлива, подаваемого совместно с дизельным топливом;

• дана оценка воздействию повышения давления в топливном аккумуляторе

и влиянию длительности управляющего импульса на форму характеристики впрыскивания электрогидравлической форсунки, предполагаемой к установке на дизель 4ЧН 9/10.

Личный вклад автора.

• Разработана конструкция топливной системы для подачи во впускной трубопровод водородосодержащего топлива и его производства на борту транспортного средства.

• Подготовлена методика моторных исследований. В составе научной группы проведены испытания дизеля 4ЧН 9/10. Проведен анализ результатов влияния совместной подачи водородосодержащего топлива и дизельного топлива на показатели дизеля.

• Предложена усовершенствованная методика регистрации характеристики впрыскивания.

• Проведены исследования воздействия повышения давления в топливном аккумуляторе и влияния длительности управляющего импульса на форму характеристики впрыскивания электрогидравлической форсунки. Обработаны полученные экспериментальные результаты и дан их анализ.

• Проведено моделирование рабочего процесса дизеля 1ЧН 12/13 и 4ЧН 9/10 в программных комплексах AVL Fire и AVL Boost. Разработаны рекомендации по формированию рабочего процесса дизеля при совместной подаче водородосодержащего и дизельного топлив с увеличением давления в топливном аккумуляторе.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач применены расчетные и экспериментальные методы исследования.

Анализ влияния на показатели дизеля водородосодержащего топлива проведен на основе результатов, полученных при определении скоростных характеристик двигателя 4ЧН 9/10 на моторном стенде с соблюдением требований действующих стандартов.

Экспериментальное исследование воздействия повышения давления в топливном аккумуляторе и влияния длительности управляющего импульса на

форму характеристики впрыскивания проведено с использованием разработанного в МАДИ экспериментального комплекса, включающего: безмоторный стенд, систему управления и разработанной камеры для регистрации интенсивности топливоподачи. Необходимые расчетные исследования проведены с применением программного комплекса гидродинамического расчета топливных систем дизелей, основанного на методе, предложенном И.В. Астаховым и развитый Л.Н. Голубковым.

Рекомендации по формированию рабочего процесса дизеля при совместной подаче водородосодержащего и дизельного топлив с увеличением давления в топливном аккумуляторе сделаны на основе проведенных расчетных исследований с использованием программных комплексов AVL Fire и AVL Boost. Адекватность задаваемых математических моделей проверена сопоставлением расчетных и экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту.

• Разработанная конструкция топливной системы для подачи во впускной трубопровод водородосодержащего топлива и его производства на борту транспортного средства.

• Описание методики и результатов проведенных моторных исследований совместной подачи водородосодержащего топлива и дизельного топлива, анализ ее влияния на показатели дизеля 4ЧН 9/10.

• Усовершенствованная методика регистрации характеристики впрыскивания.

• Анализ воздействия повышения давления в топливном аккумуляторе и влияния длительности управляющего импульса на форму характеристики впрыскивания электрогидравлической форсунки, предполагаемой к установке на дизель 4ЧН 9/10.

• Результаты моделирования рабочего процесса дизеля 1ЧН 12/13 и 4ЧН 9/10 в программных комплексах AVL Fire и AVL Boost.

• Рекомендации по формированию рабочего процесса дизеля при совместной подачи водородосодержащего и дизельного топлив с увеличением

давления в топливном аккумуляторе.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы внедрены в учебный процесс МАДИ и в перспективные работы АО «НЗТА».

Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» ФГБОУ ВО МАДИ в 2021 г.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: Международных научно-технических конференциях «Луканинские чтения» (Москва, МАДИ, 2019 и 2021 г.г.); Всероссийских научно-технических конференциях по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок (Москва, МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2020 и 2021 г.г.); Международной конференции - школе молодых ученых «Волны и вихри в сложных средах» (Москва, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, 2020 г.); Международной конференции «Интеллектуальные технологии в дорожно-транспортном комплексе» (Москва, МАДИ, 2020 г.); Международная конференция по вопросам связи, управления и информационным технологиям (Афины, Греция, 2020 г.); Международной конференции «Инженерное дело в областях связи и технологий » (Вена, Австрия, 2020 г.); Международной конференции «Электроника и ее применение в информационных и телекоммуникационных системах» (Санкт-Питербург, 2021 г.).

Публикации. Материалы исследований опубликованы в 10 печатных работах, в том числе: 2 статьи в журналах, включенных в перечень рецензируемых изданий, утвержденных ВАК Минобрнауки РФ, 3 статьи в изданиях, входящих в национальную библиографическую базу данных РИНЦ, 4 статьи в изданиях, входящих в международную базу данных Scopus, и 1 статья в сборнике конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из обозначений и сокращений, введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 161 наименования, в том числе 137 на иностранных языках. Содержит 180 страниц печатного текста, 118 рисунка, 9 таблиц и 1 приложения.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ БИОТОПЛИВ И ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВПРЫСКИВАНИЯ В ДИЗЕЛЯХ

1.1 Применение биотоплив в дизелях

Биотопливо - энергоноситель, получаемый из биомассы, к которой относят сырьевые источники и продукты их переработки.

К основным сырьевым источникам для получения биотоплив относят древесину и отходы деревообрабатывающей промышленности, сельскохозяйственные зерновые культуры, животные жиры и отходы жизнедеятельности человека.

В качестве продуктов переработки древесины и зерновых культур рассматривают спирты (этанол, метанол и бутанол), обладающие высоким октановым числом и предназначенные для применения в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Из растительных масел (продукт переработки зерновых культур) и животных жиров производят биодизельное топливо, отличающееся высокой вязкостью и цетановым числом, пригодным для применения в двигателях с воспламенением от сжатия.

Из отходов жизнедеятельности человека в основном вырабытывают бутанол и природный газ, преимущественно содержащий метан.

Использование биотоплив дает ряд преимуществ по сравнению с использованием традиционных топлив, получаемых из добываемого углеводородного сырья, основные из которых:

• жидкие и газовые биотоплива обладают, преимущественно, строгоопределенной химической формулой и большей стабильностью физико-химических свойств, облегчающей адаптацию рабочих процессов двигателя внутреннего сгорания и достижения ими заданных экологических требований;

• сгорание биотоплив приводит к образованию меньшего количества парниковых газов;

• применение возобновляемых ресурсов снижает потребление ископаемого углеводородного топлива и обеспечивает его более эффективное применение в

сочетании с биотопливами;

• переработка продуктов жизнедеятельности человека как способ ведения энергоэффективной политики снижения загрязнения окружающей среды отходами, сокращения количества свалок и мусоросжигающих производств.

Распространение биотоплив связано с решением ряда задач, основные из которых:

• разработка способов применения биотоплив в ДВС, в том числе ввиде смеси с традиционными топливами;

• исследования рабочих процессов двигателей, работающих на биотопливах, и их топливных систем;

• снижение стоимости производства, высокая величина которой определяется, на сегодняшний день, отсутствием крупномасштабного производства из-за низкого начального уровня спроса;

На рисунке 1. 1 представлены основные существующие способы применения биотоплив в ДВС, которые рассмотрены ниже.

Рисунок 1.1 - Способы применения биотоплив в ДВС: СПГ - сжатый природный газ; СНГ - сжиженный нефтяной газ; ДМЭ -диметиловый эфир; ДЭЭ - диэтиловый эфир; Н2 - водород; ННО - газ Брауна;

ЫНз-аммиак

1.1.1 Способы применения газовых биотоплив

Как показано на схеме рисунка 1.1 поступление газового биотоплива в двигатель возможно тремя основными способами:

• использованием трубки Вентури, установленной во впускной системе;

• системой распределённого впрыскивания, подающей газ во впускной трубопровод двигателя;

• непосредственным впрыскиванием газа в цилиндры двигателя; Использование трубки Вентури (рисунок 1.2) - самый простой вариант

подачи газового топлива во впускной трубопровод двигателя [23, 66].

Рисунок 1.2 - Схема системы подачи газа с применением смесителя на основе

трубки Вентури [23]: 1 - газовые баллоны высокого давления; 2 - электромагнитный клапан; 3 -газовая магистраль высокого давления; 4 - трехступенчатый редуктор; 5 -манометр; 6 - трубопровод подвода газа к дозаторам; 7 - воздушный фильтр; 8 -газовоздушный смеситель; 9 - впускной трубопровод; 10 - трубка дренажа газа;

11 - электроуправляемый дозатор газа

Газовое топливо подается в воздушный поток вследствии разряжения (принцип эжекции), создаваемого им при прохождении через сужнноесечение устройства 8. В этом случае расход газа определяется скоростью воздушного потока.

Недостаток способа (рисунок 1.2) - относительно низкая точность дозирования газа и изменения его количества на переходных режимах, вследствии инерционности потока воздуха.

В работе [66], как альтернатива трубки Вентури, предложена схема механического регулятора для управления расходом биогаза (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Схема управления количеством запальной порции дизельного топлива и цикловой подачей биогаза применением механических регуляторов [66]:

1 - топливный насос высокого давления; 2 - рейка топливного насоса; 3 -регулятор подачи дизелного топлива; 4, 13 - грузы; 5, 12 - муфта; 6, 9 - пружина; 7 - рычаг управления; 8 - рейка для управления подачей биогаза; 10 -регулировочный винт предварительной затяжки пружины; 11 - позиционная пластина; 14 - клапан подачи биогаза; 15 - кран; 16 - топливопровод подачи биогаза; 17 - впускной трубопровод; 18 - форсунка для подачи дизельного

топлива; 19 - камера сгорания

Принцип его работы схож с регулятором, управляющим цикловой подачей Qц запальной порции дизельного топлива. При этом последний поддерживает Qц, энергосодержание которой составляет уровне 10 ... 15% от общего количества теплоты, которое теоретически может выделится при полном сгорании газа и запального дизельного топлива.

С применение электронных систем управления подача газа во впускной трубопровод осуществляется электромагнитными форсунками. Образованная газовоздушная смесь поступает в цилиндры и сгорает в результате воспламенения от сжатия запальной порции топлива с высоким цетановым числом. Запальная порция впрыскивается в камеру сгорания (КС) непосредственно перед переходом поршня в верхнюю мертвую точку (ВМТ) [34, 83, 124, 139].

В этом случае двигатель, помимо к штатной дизельной топливной системе (ТС), оборудуется дополнительной - для подачи газового топлива, как показано на рисунке 1.4.

1 2 3 4

Рисунка 1.4 - Принципиальная схема двойной топливной системы для подачи

сжатого природного газа [139]: 1 - регулятор давления; 2 - форсунка для подачи природного газа; 3 - форсунка

для впрыскивания дизельного топлива; 4 - газоанализатор; 5 - струя впрыскиваемого дизельного топлива; 6 - тормозная установка; 7 - дизель; 8 -топливный насос высокого давления; 9 - баллон с природным газом

Представленный на рисунке 1.4 способ - наиболее распространён. Причина в том, что конструкция и технология изготовления газобалонного оборудования достаточно отработана и получила большое распространение по всему миру [34, 83, 124, 139]. Такой способ подачи газового топлива не требует существенного изменения конструкции двигателя. В зависимости от стоимости системы подачи газа и требуемых экологических показателей двигателя вместо распределенного впрыскивания во впускной трубопровод применяют также центральное впрыскивание (рисунок 1.5).

Что касается дизельной ТС, то сокращается подаваемая ею Qц дизельного топлива. Черезмерное снижение цикловой подачи, при сохранении конструкции форсунок и их распылителей как у дизеля, может вызвать их перегрев и коксование топлива в каналах на режимах, близких к максимальной нагрузке. Это связано с отсутствием охлаждения элементов ТС необходимым количеством дизельного топлива. С другой стороны, относительно большие геометрические параметры распыливающих отверстий, расчитанных на подачу большого количества дизельного топлива, будут препятствовать повышению точности управления Qц на режимах малых подач запальных порций топлива.

Как отмечается в [124] применение газодизельного рабочего процесса обеспечивает устойчивую работу двигателя при значении коэффициента избытка воздуха а = 1,2 и неоднородным распределением количества топлива по КС. В одних зонах КС присутствует только газовоздушная смесь и остаточные газы, а в других - к ним добавляется дизельное топливо, поступающее из распыливающих отверстий ввиде струй. На каждом режиме работы величина минимальной Qц запальной порции дизельного топлива ограничена требуемым количеством для устойчивого воспламенения от сжатия. Это, в свою очередь, предъявляет дополнительные требования к организации процесса смесеобразования, происходящего на периферии струй дизельного топлива.

Наиболее точный способом дозирования подачи газового топлива -непосредственное его впрыскивание в цилиндр [27, 96, 97]. Это исключает влияние волновых явлений на впуске и попадание части газа в выпускной трубопровод во

время продувки цилиндра при перекрытии клапанов.

Различают два способа воспламенения впрыскиваемого в цилиндр биогаза: первый - от свечи накаливания [22, 23, 29, 45, 152]; второй - от запальной порции дизельного топлива [27, 96, 97].

Преимуществом применения свечи накаливания является стабильное воспламенние впрыскиваемого газа и недопущение черезмерно высоких значений максимальной скорости нарастания давления (0р/ёф)шах в КС.

В качестве примера применения данного способа на рисунке 1.5 показан двигатель, разработанный Киотским университетом совместно с «Osaka Gas» для подачи в КС природного газа [22, 23]. В ДВС сохранена степень сжатия базового дизеля и доработана головка цилиндра для установки керамической свечи накаливания 2.

12 3 45678 9 10

Рисунок 1.5 - Двигатель с непосредственным впрыскиванием природного газа и

воспламенением от свечи накаливания: 1 - датчик давления; 2 - свеча накаливания; 3 - форсунка; 4 - подвод природного газа; 5 - подвод масла для гидропривода форсунки; 6 - выпускной клапан; 7 -свеча накаливания; 8 - впускной клапан; 9 - газовые струи; 10 - направление

воздушного вихря

Подача природного газа 4 к гидроприводной форсункой 3 осуществляется под давлением 8 МПа. Для подачи масла к гидроприводу установлен специальный насос высокого давления. Сопловой аппарат распылителя форсунки включает четыре отверстия диаметром 1,2 мм. Образуемые топливные струи 9 неравномерно покрывают объем КС. Такое их распределение, по мнению разработчиков, обеспечивает более высокую стабильность горения.

Недостаток применения свечи накаливания - ее низкий срок службы из-за высокой температуры ее рабочей поверхности 1200 ... 1600 К [22, 23, 29, 45, 152]. По этой причине на современных газовых двигателях он почти не применяется.

Подача природного газа 4 к гидроприводной форсункой 3 осуществляется под давлением 8 МПа. Для подачи масла к гидроприводу установлен специальный насос высокого давления. Сопловой аппарат распылителя форсунки включает четыре отверстия диаметром 1,2 мм. Образуемые топливные струи 9 неравномерно покрывают объем КС. Такое их распределение, по мнению разработчиков, обеспечивает более высокую стабильность горения.

Недостаток применения свечи накаливания - ее низкий срок службы из-за высокой температуры ее рабочей поверхности 1200 ... 1600 К [22, 23, 29, 45, 152]. По этой причине на современных газовых двигателях он почти не применяется.

Применение непосредственного впрыскивания газа в газодизельном процессе требует либо размещения двух форсунок (газовой и дизельной) в головке цилиндра, либо подачу обоих энергоносителей через одну форсунку.

Установка двух форсунок затруднительна в условия современных головок цилиндров с четырьмя клапанами и развитой системой каналов рубашки охлаждения, необходимых высокофорсированному двигателю. В связи с этим более предпочтительна конструкция форсунки с двумя каналами, как показано на рисунке 1.6 [27].

Рисунок 1.6 - Форсунка с двумя каналами для подачи биогаза и дизельного

топлива [27]:

1 - втулка; 2 - отверстие подачи дизельного топлива; 3 - отверстие подачи газа; 4

- игла форсунки

Диаметр корпуса представленной форсунки больше по сравнению с обычной дизельной, что требует расточки канала для ее установки в головке цилиндра базового дизеля. Однако это требует меньших изменений и более реализуемо на многих конструкциях дизелей, чем установка двух форсунок. При этом, также как и в случае распределенного впрыскивания (рисунок 1.4), сохраняется необходимость размещения на транспортном средстве двух топливных систем, подводящих топливо к форсункам.

Вторая особенность двухтопливной форсунки - разнесение во времени подачи топлив. Биогаз подается с опережением (в начале процесса сжатия) относительно впрыскивания дизельного топлива (ближе к окончанию сжатия). Это время необходимо для формирования гомогенной газовоздушной смеси.

На рисунке 1.7 представлена электрогидравлическая форсунка, разработанная фирмой «West port Innovations» (США) совместно с «University of British Columbia» (UBC) для ТС впрыскивания сжатого природного газа в КС [112, 113].

Рисунок 1.7 - Электрогидравлическая форсунка с двумя электромагнитными клапанами для впрыскивания природного газа и запальной порции дизельного

топлива:

1 - электромагнитный клапан для управления впрыскиванием природного газа; 2 - электромагнитный клапан для управления впрыскиваниемдизельного топлива; 3 - мультипликатор иглы для подачи дизельного топлива; 4 -игла форсунки для подачи дизельного топлива; 5 - форсунка; 6 - игла форсунки для подачи природного газа; 7 - мультипликатор иглы для подачи природного газа

Конструкция форсунки включает два управляющих электромагнитных клапанов, отвечающих за впрыскивание природного газа и дизельного топлива, подаваемых по разным каналам в ее корпусе.

Топливный насос обеспечивает подачу дизельного топлива к форсунке под давлением приблизительно 25 МПа. Криогенный насос поставляет по параллельному каналу природный газ с тем же давлением. Процентное содержание запального топлива изменяется от 9 до 2,4%, при изменении нагрузки от 20 до 100%.

Криогенный насос в системе топливоподачи приводится в действие гидравлически с помощью масла, подаваемого установленным на двигатель масляным насосом. Впрыскиваемый сжиженный природный газ сначала нагревается, а потом подаётся в цилиндры двигателя в газообразном состоянии, пройдя фильтр, аккумулятор высокого давления, в котором имеется редукционный клапан.

Затраты мощности на привод предложенной ТС по оценкам ее создателей близки к значениям для современных дизельных аккумуляторных топливных систем.

Описанные выше результаты относились к применению сжатого природного газа с условиями хранения 20 МПа. Однако кроме него большое распространения получил сжиженный нефтяной газ с более низким давлением хранения в жидкой фазе 0,6 ... 0,8 МПа. Основные составляющие газа: н-бутан и бутилен, изобутан, пропилен, изобутилен [31, 58, 106, 144].

Сжиженный нефтяной газ имеет высокую теплоту сгорания, большое октановое число, поэтому он более подходит в качестве топлива для двигателей с искровым зажиганием. Кроме того, его можно использовать и для двигателей с воспламенением от сжатия при совместной подачи с дизельным топливом [106, 144]. Такой способ приведен на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Схема, иллюстрирующая рабочий процесс дизеля при совместной подачи дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа [144]:

1 - форсунка; 2 - струя природного газа; 3 - струя дизельного топлива

По аналогии с природным газом, нефтяной возможно подавать как непосредственно в цилиндр [89, 107, 124], так и во впускной трубопровод [58, 42, 118].

В отличие от природного и нефтяного газов, диметиловый эфир (ДМЭ) обладает высоким цетановым числом (более 55) и обеспечивает самовоспламенение в дизелях. У ДМЭ развитая сырьевая база - его получают из природного газа, угля и биомассы.

Теплота сгорания ДМЭ ниже, чем теплота сгорания дизельного топлива, из-за этого нужно увеличить эффективные проходные сечения распылителей и

производительность ТНВД.

В топливной системе ДМЭ необходимо добавить систему охлаждения, чтобы избежать повышения испарения ДМЭ.

Низкая вязкость ДМЭ уменьшает его смазывающие свойства, что требует добавления специальных присадок, а также изготовления элементов ТС из других материалов и увеливать шероховатость поверхности деталей [143].

Из-за различий в свойствах по сравнению с дизельным топливом при проектировании или усовершенствовании дизельного двигателя для использования ДМЭ необходимо установить дополнительные элементы ТС: баллоны для его хранения, аналогичные сжиженному нефтяному газу; газовый редуктор; клапаны переподключения подачи дизельного топлива (запуск дизеля и остановка) и ДМЭ (основные режимы работы двигателя).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Тхин Куинь, 2022 год

г , //

Г

■--- ^Рок, А -

О

5 т, мс

с10/с1т, мг/мс 200

■ 120

■ 80

■ 40

О

5 т, мс

Рисунок 3.24 - Давление рф у штуцера форсунки и дифференциальная характеристика впрыскивания dQ/dт (рж_су = 250 МПа):

а - Тимп = 0,3 мс; б - Тимп = 0,7 мс; в - Тимп = 1,3 мс

Увеличение рак_су и его влияние на изменение рф, описанное выше, приводит к увеличению крутизны переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания с переносом максимального значения dQ/dт ближе к началу топливоподачи (рисунки 3.21, 3.23 и 3.24). Это объясняется последующим снижением интенсивности топливоподачи вследствие падения рф. На середину впрыскивания и его окончание влияет изменение рф на этапах 4 ... 6.

С повышением рак_су большая часть топлива падётся с падающей скоростью (сравнение рисунков 3.21, 3.23 и 3.24). При этом, чем выше рак_су, тем выше интенсивность падения dQ/dт от максимального значения до окончания впрыскивания (сравнение рисунков 3.23 и 3.24).

Таким образом, управление рак_сУ - значимый параметр для воздействия на форму характеристики впрыскивания и перераспределению количества подаваемого топлива между начальной и конечной фазами впрыскивания наряду с изменением длительности впрыскивания.

Очевидно, что на исследуемые эффекты по изменению рф (рисунки 3.20 и 3.21) оказывают совместное влияние рак_су, Тимп, быстродействие управляющего клапана, объем камеры управления, эффективное проходное сечение распылителя и внутренний объем, сосредоточенный в корпусе ЭГФ и ее распылителе до основания запирающего конуса. Помимо этого, на изменение рф оказывает влияние длинна топливопровода, соединяющего ЭГФ с аккумулятором топливной системы (рисунок 3.25).

Из рисунка 3.25 следует, что с увеличением длинны топливопровода /т от /мин и /ср возрастает время пробега возмущения, вызванного началом процесса впрыскивания, что способствует большей просадки давления рф и росту интенсивности его снижения. Влияние /т значимо возрастает с повышением рак_су [17].

а)

б)

в)

51

50

49

-е-

о.

154 152 150 148 146 144

рвпр = 50 МПа_0.3 мс

л Гч >—/ / \

\ \ V/ / ч/ / 4 _^

\ и 1с| -1м ин

рвпр = 150 МПа_0,3 мс

1 \ V —ч.

V

\ У

1ср -1н ин

6 1

г)

153 152 151 150

149 148 147 146

рвпр = 150 МПа_0,9 мс

Г

к

у\

|< :Р — 1мин

6 т

Рисунок 3.25 - Влияние длины топливопровода на изменение давления рф у

штуцера форсунки

3.3 Основные результаты и выводы по третьей главе

1. Разработан способ определения дифференциальной характеристики впрыскивания суммированием в каждый момент времени т скорости изменения избыточного давления в камере (йрк/ёт) и скорости его падения вследствии оттока топлива через жиклер (йрж/ёт).

2. Увеличение базовая величина давления в топливном аккумуляторе рак_су приводит к увеличению крутизны переднего фронта дифференциальной характеристики впрыскивания с переносом максимального значения dQ/dт ближе к началу топливоподачи.

3. Управление рак_су - значимый параметр для воздействия на форму характеристики впрыскивания и перераспределению количества подаваемого топлива между начальной и конечной фазами впрыскивания наряду с изменением длительности впрыскивания.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ ПРИ СОВМЕСТНОЙ ПОДАЧЕ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩЕГО И ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВ С УВЕЛИЧЕНИЕМ ДАВЛЕНИЯ В ТОПЛИВНОМ

АККУМУЛЯТОРЕ

4.1 Исследование влияния параметров, определяющих рабочий процесс дизеля, на его экологические и энергоэкономические показатели при повышении давления впрыскивания дизельного топлива

4.1.1 Моделирование рабочего процесса дизеля

Исследования проведены с применением программного комплекса AVL Fire. Модель сгорания ECFM-3Z была разработана компанией GSM (Groupement Scientifque Moteurs) для расчета воспламенения дизельного топлива. Она описывает распространение фронта пламени и смесеобразование, что позволяет моделировать турбулентное пламя и диффузионное горение [31]. В модели выделено три зоны: топливо, топливовоздушная смесь и воздух (рисунок 4.1) [18, 61, 62, 132].

Направление распространения пламени

Гомогенная

Самовоспламенение

© ^ ©

^Турбулентные пульсации

Сгоревшие газы Турбулентные

пульсации

Фронт пламени

Диффузионная область горения (окисление и образование ОГ)

Рисунок 4.1 - Зоны модели ECFM-3Z: A - воздух и рециркулируемые газы (при наличии РОГ); F - топливо; М

топливовоздушная смесь; и-несгоревшие газы; Ь - сгоревшие газы

Механизм образования оксида азота N0 рассчитывается по механизму, описанному Б.Я. Зельдовичем [31]:

к1Г

Ы2 + 0 ^ N0 + Ы; (4.1)

к1Ь

к2г

N + 02^ N0 + 0; (4.2)

к2Ь

N + 0Н ~ N0 + Н. (4.3)

кзь

Система уравнений учитывает как образование N0, так и восстановление из него азота N.

Скорость реакции юi рассчитывается с использованием стехиометрических коэффициентов

3

i = ^ uiir vN0 (4.4)

= ^ Vi,r ^N0 r=1

Образование сажи рассчитывается по кинетической модели. Полная детальная кинетическая схема процесса сажеобразования включает 1850 газофазных реакций, 186 видов и 100 гетерогенных реакций с участием четырех ансамблей микрогетерогенных частиц разных типов.

Текущая модель содержит уменьшенное количество разновидностей и реакций и была разработана для обеспечения вычислительно эффективной кинетической общей модели сажи. Модель может описывать поведение сажеобразования и окисления для различных классов топлива. Точные константы реакций были реализованы для метана, пропана, этанола, н-гептана и тетрадекана. Если топливо, указанное пользователем, не точно соответствует одному из этих видов, FIRE автоматически выбирает лучший набор параметров, который будет использоваться [31].

Механизм редуцированной реакции, применяемый в модели, показан ниже:

113

п т СпНт^02 ^пСО+у^; (4.5)

Н2 + Н2 + О2 ^ Н2О + Н2О; (4.6)

СО + СО + О2 ^ СО2 + СО2; (4.7)

СО + Н2О ^СО2 + Н2; (4.8)

СпНт + СпНт ^ 2пС + тН2; (4.9)

С + С + О2 ^ СО + СО; (4.10)

С + Н2О ^СО + Н2. (4.11)

Модель k-zeta-f разработана НагцаНс, Popovac и Hadziabdic (2004). Авторы предлагают версию модели вихревой вязкости, основанную на концепции эллиптической релаксации Дурбина (1991). Цель состоит в том, чтобы улучшить числовую устойчивость исходной V2 — f модели путем решения уравнения переноса для отношения шкалы скоростей ( = ^/к вместо шкалы скорости V2, Полная модель приведена ниже:

Вихревая вязкость получается из

к2

V = Щ —

(4.12)

и остальные переменные из следующего набора модельного уравнения, таким образом,

(4.13)

°к т \ I д

р21 = р (С£!Рк-С£2£) \ д

ОС

Т

Ц г С п . д

pгt = pf — p-л+lдг

где следующая форма уравнения f принята

: [К®

(4.14)

(4.15)

f — L2

2

Г(С1 + С27У

дху дх

О Т

и турбулентный масштаб времени Т и масштаб L длины определяются как

(4.16)

Т = тах ( тт ( к,

Ь = Сьтах ( тт

к3/2 к1/2

'Ст©

6С„|5К

1/2

.3/4

V ¿1/4 '

(4.17)

(4.18)

а

£

D< f I p м °

рш=рг-ркр*+дх;

o^J dxj

(4.19)

Дополнительные модификации в уравнении s заключаются в том, что постоянная C_s1 демпфируется вблизи стенки, таким образом

Ch = Cei(l + 0.045JT/Z). (4.20)

Это вычислительно более надежно, чем оригинальная модель v2 — f [32, 62] Другие модели, используемые AVL Fire, представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Модели AVL Fire, применяемые при расчете рабочего процесса

дизеля 1ЧН 12/13

Объект моделирования Значение

Струя топлива Wave

Взаимодействие струи впрыскиваемого топлива со стенкой камеры сгорания Walljet1

Испарение капель топлива Dukowicz

Турбулизация заряда k-zeta-f

Воспламенение топлива Auto-ignition

Исходные данные для расчета дизеля 1ЧН 12/13 приведены в таблицах 4.2 и

4.3.

Таблица 4.2 - Параметры дизеля 1ЧН 12/13

Параметр Размерность Значение

Рабочий объём цилиндра Vh л 1,47

Степень сжатия в 15,4

Длина шатуна 1ш мм 224

Количество клапанов на цилиндр шт. 4

Количество распыливающих отверстий шт. 8

Диаметр распыливающего отверстия мм 0,1

Таблица 4.3 - Параметры режима работы дизеля 1ЧН 12/13

Параметр Размерность Значение

Температура воздуха во впускном трубопроводе К 307

Температура головки цилиндров К 550,15

Температура верхней части поршня К 575,15

Температура впрыскивания топлива К 330,15

Температура стенки цилиндра К 475,15

Схема моделируемой КС с задаваемыми параметрами Дкс и ИКс показаны на рисунке 4.2. Значения диаметра и глубины камеры сгорания показаны на таблице 4.4.

Оке

Рисунок 4.2 - Схема моделируемой камеры сгорания дизеля 1ЧН 12/13: 1 -распылитель; 2 - струя впрыскиваемого топлива; 3 - камера сгорания; 4 -

стенка цилиндра; 5 - поршень

Таблица 4.4 - Значения диаметра и глубины камеры сгорания в модели

Вариант Дсс, (мм) ¿кс,(мм) йр,(мм) £кс,(мм)

1 67 19,8 16,0 73,4

2 74 16,4 13,0 74,5

3 80 14,4 10,1 79,6

4 90 11,5 8,0 88,1

5 100 10,0 4,6 98,0

На рисунке 4.3 показана сетка модели в положении НМТ для диаметров 67 мм и 100 мм.

................................. | I. | | I. | | ||

WWWWWIIIIIIIIIIIIIIIIIIIiii ■■.■■-.■■-.■■ ill iiiiii nil nil nil I nil nil и.'. 1111 >. 111

-|ViV|-1111111111111111111 ■.■.■.■.■. 11 I >.■. I I >. I I I I

11 ■ ■ I 111 ■ ■ 11 ■ ■ 111 ■>■. IIIIII1.1.11'.'. 1111 ■, 111 ■ I I ■ 111111 1111111 11111 \ I 'I'III'IM'IIIIIVIIIIII IIIIM MI 111II 'I'I'I'I 11

I 11 ■■■■ 1111 111111111 11a. 111111

V,VI,1,VI,VIII,'II

m\m\\\\

'iViYiYIi'IIi'Ii'I

III1,II1,1,1,1,1,VJII и 11 11111M a.a. 111M11

№

II,'III,'II,'II,V,1,1,1,1,1,

III,'III,VII,1,VII,1,1,1,1,',

ММПШАМШММ ........................

N|||iri'lllllll,,,,.,.,,,,,lll

IIIIIIIIMIYIIIIIIIIIMM

...................

11111111111111111111 /MV.

Illlllllllllllllllllllllll

llllllllllllllllllllllllllll .V.'.VJIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIll I III IIVAVJ nil nil I nil III I

IIIIIIIIIIF.'.UIIIIIIIIIIIII I •■J ■ 111 ■ ■ 11 ■ ■ IPJI ■ ■ 111 ■ ■ 11 ■ ■ I IIWJ nil nil I ГЛ1111 nil III | IIIIP.'JIIIIIIIIIPJIIIIIIIIi i

Рисунок 4.3 - Сетка в модели AVL Fire с диаметрами камеры сгорания 67 мм и

100 мм

Задаваемая дифференциальная характеристика впрыскивания представлена на рисунке 4.4. Она соответствует давлению в аккумуляторе рж = 300 МПа и цикловой подачи топлива Qц = 60 мг [8,

dQ/dx = fi(T) топливном 18].

dQ/dr, мг/мс 14

12 10 8 6 4 2 0

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 т, мс

Рисунок 4.4 - Задаваемая дифференциальная характеристика впрыскивания

(Рак = 300 МПа; Q = 60 мг)

Для проверки модели дизеля 1ЧН 12/13 (таблицы 4.2 и 4.3), созданной в программе AVL Fire, проведено сравнение значений давления в цилиндре и скорости тепловыделения, полученных экспериментально и расчетно.

Базовые параметры КС (рисунок 4.2) были приняты: Дсс= 100 мм; Икс = 10 мм.

Согласно результатам, полученным в МАДИ, при среднем эффективном давлении pe = 0,9 МПа, n = 1400 мин-1 и угле опережения впрыскивания на фо.вп. = 23оПКВ до ВМТ, наибольшее давление ртах в цилиндре дизеля 1ЧН 12/13 составляет 10,2 МПа, максимальная скорость тепловыделения ^^Мф)тах= 48 Дж/°. Результаты сравнения между моделированием и экспериментом показаны на рисунке 4.5 [18].

Из результатов видно, что средняя ошибка между моделированием и экспериментом меньше, чем 6%. Это позволяет использовать созданную модель для оценки воздействия различных параметров на рабочий процесс дизеля.

сЮ/с1ф,Дж/град. 120

р, МПа

90

60

30

..... расчет Экспе|эимек 1Т

И )

7 / \ N N.

15.0

11.5

80

45

1.0

0

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 град-

ВМТ

до ВМТ

Рисунок 4.5 - Сравнение расчетных и экспериментальных значений давления р в цилиндре дизеля 1ЧН 12/13 и скорости тепловыделения dQIdф (ре = 0,9 МПа; п = 1400 мин-1, фо.вп. = 23о ПКВ до ВМТ)

Для каждого количества впрыскиваемого топлива и частоты вращения двигателя, давления впрыскивания необходимо оптимизировать начальный угол впрыскивания топлива ^о вп , чтобы получить максимальную индикаторную мощность двигателя N На рисунке 4.6 показана зависимость М, gi от ^о вп.

г/кВт-ч

242

п=1400 мин \ йк= 67 мм, 300 МПа кВт

241 240

239 238 237

0

-*-7\

_ — -

Т ч

/ "1 к 1 ■ч. ______1____________

1 ►

21.3

21.2

21.1

21

20.9

20.8

10 12

2 4 6 8

Фо.вп

Рисунок 4.6 - Зависимость N gi от <ровп при 1400 мин-1, Д^ = 67 мм,рвп = 300 МПа

Из рисунка 4.6 видно, что двигатель имеет наилучшую мощность, когда ^овп = 5о ПКВ до ВМТ, что соответствует наименьшему индикаторную расходу топлива.

Другие режимы двигателя также были исследованы и оптимизированы на основе изменения ^о вп , чтобы выбрать наилучшее значение ^о вп для этого режима.

4.1.2 Влияние параметров камеры сгорания и давления наддува на

показатели рабочего процесса дизеля при давлении впрыскивания 300

МПа

Все расчетные исследования проведены при частоте вращения коленчатого вала п = 1400 мин-1, давлении в топливном аккумуляторе рак = 300 МПа и давлениях изменении рк от 0,15 до 0,45 МПа с шагом изменения 0,1 МПа. Моделирование проводилось при изменении Окс1Икс от 3,4 до 10 при е = 15,4. Это соответствовало изменению Д<с от 67 до 100 мм.

На рисунках 4.7 и 4.8 показаны характеристики струй (топливо находится в жидкой фазе), где ¿-длина; ю - скорость; 0 - угол конуса [8, 18].

На начальном этапе впрыскивания (до 0,05 мс) рк и Окс1Икс слабо влияют на процесс впрыскивания (рисунки 4.7 и 4.8). После 0,1 мс на графиках Ь и ю наблюдаются колебания. Длина Ь ограничена испарением топлива и дальнейшим его движением в газообразном состоянии. При увеличении рк, максимальные значения длины струи Ь и ее скорости ю уменьшаются (рисунок 4.7). Давление рк определяет давление в цилиндре, которое при своем увеличении обеспечивает большее торможение струи. При этом возрастает число заторможенных капель на ее периферии и в оболочке, и ширина переднего фронта увеличивается - возрастает угол 0.

Величины Ь и 0 наиболее сильно изменяются при переходе с давления наддува 0,15 МПа на 0,25 МПа. В случае перехода рк от 0,25 до 0,35 МПа отмеченные изменения не так существенны.

мм

50

40

30

20

10

0

Гг зовая ф . аза

\ ^ ..хх

■Кидкая < >аза

Ух" ч/ А-V- /V**** у 15 МПа

/ - * - 0,45 МПа

0

со, м/с

800 700 600 500 400 300 200 100 о

0.1

0.2 0.3 0.4 0.5

0.6 т, мс

-----/---- Скорость зеукз _ .........

-■-0,15 МПа

-«—0,45 МПз

0.1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Т,МС

0,

9 8 7 б 5 4 3 2 1 О

- --X

/ * II

//

/

/

/ -■-0,15 МРа —X—0,45 МПа

/

/

0.0 0.1 0.2 0.3

0.4 0.5

0.6 т, мс

Рисунок 4.7 - Влияние давления наддува на характеристики струи дизеля

1ЧН 12/13: п = 1400 мин-1;рж = 300 МПа; = 60 мг; Вкс = 100 мм

¿ (мм) 60

50 40 30 20 10 0

со, м/с

800 700 600 500 400 300 200 100 О

Газовая фаза \^|Н|<||иИ1Иаш|

_ .■■Л

Vм-. /"Л-

Жидкая фаза

Оке = 67 мм, 1.КС = 73,4 мм - ■ - Оке = 100 мм, 1.КС = 98 мм

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6 т- мс

- * ' у ж х \ ^ . - -

н

!

Скоро< тьзвука

II //

// Ркс = 67 мм, Ькс = 73,4 мм Оке = 100 мм, 1_кс = 98 мм

- * -

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6 мс

у

/

/

/ —#— Оке = 67 мм, 1_кс = 73,4 мм - Ж - Оке = 100 мм, 1-КС = 98 мм

0.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 т, мс

Рисунок 4.8 - Влияние геометрии камеры сгорания на характеристики струи дизеля 1ЧН 12/13: п = 1400 мин-1; рак = 300 МПа; 0ц = 60 мг; рк = 0,15 МПа

При увеличении Дкс (Дкс/Икс) параметры струи (топливо находится в жидкой фазе) мало изменяются (рисунок 4.8). Причина в том, что давление в КС и давление впрыскивания не зависят от Дкс/Икс (так как рж, рк и в остаются неизменными). В условиях высокого наддува (рк = 0,45 МПа) струя быстрее тормозится, а скорость смесеобразования повышается. Величина Дкс/Икс влияет на отмеченные колебания Ь и ю. С увеличением диаметра КС их максимальный размах повышается, при том, что с ростом рк - снижается (рисунок 4.7).

В реальности, поскольку с изменением Дкс/Икс меняется угол наклона оси распыливающего отверстия относительно оси распылителя, при неизменной толщине стенки мыска распылителя изменяется длина его канала. Это влияет на возмущения, происходящие в потоке топлива, и воздействует на параметры струи.

Максимальная скорость струи ю во всех случаях (рисунки 4.7 и 4.8) превышает скорость звука.

На рисунках 4.9 и 4.12 показаны зависимости коэффициента избытка воздуха а, максимальных значений давления ртах и температуры Ттах цикла, максимальной скорости повышения давления (фМф)тах от величин Дкс/^кс и рк [8, 18].

а

------ ----А- ------ -----а

♦ — --♦— ------- -----ф_ ------- ------,

■ — —- ----- ---- ------ -----1

А А А А о

щ V V V и

—рк=0Д5 МПа -■- рк=0,25 МПа рк=0,35МПа —А рк=0,45 МПа

3456789 10

Рисунок 4.9 - Зависимость а от изменения рк и Дкс/Икс (рак = 300 МПа)

Рисунок 4.10 - Зависимостьртах от изменения рк и Окс/Икс (рак = 300 МПа)

(ф/^)мак, МП а/0

ж=0Д5 эк=0,35 МПа МПа -■-рк=0,25 МПа —А рк=0,45 МПа

-

"Ч

— •• ~

----- ------д.

3456789 10

Рисунок 4.11 - Зависимость ^р/ёф)тах от изменения рк и Окс/Икс (рак = 300 МПа)

Рисунок 4.12 - Зависимость Гтахот изменения рк и Окс/Икс (рак = 300 МПа)

При сохранении цикловой подачи топлива (0ц = 60 мг) с повышением рк существенно увеличивается коэффициент избытка воздуха а (из-за увеличения количества воздуха, поступающего в цилиндр) и максимальное давление цикла ртах (рисунок 4.10), определяемое ростом давления рс в конце процесса сжатия. Значение а увеличилось в 2,84 раза, а ртах в 2,1 раза при увеличении давления наддува с 0,15 до 0,45 МПа (рисунок 4.9).

Соотношение 0Кс/ИКс не оказывает влияния на а и слабо воздействует на ртах (рисунки 4.9 и 4.10), т.к. величина в не меняется.

Поскольку повышение рк положительно сказывается на скорости смесеобразования (максимальное значение Ь уменьшается, рисунок 4.7), то (ср/ёф)тах и Ттах снижаются (рисунки 4.11 и 4.12). Так при Окс/Икс = 10 переход с давления наддува 0,15 на 0,45 МПа обеспечил падение ^р/ёф)тах на 38% и Ттах на 9%. Уменьшение (сСр/ёф)тах положительное влияние на выбросы NOx и шум от рабочего процесса дизеля.

Рост рк более значимо влияет на (ср/ёф)тах, чем на Ттах. По мере увеличения рк, особенно выше 0,35 МПа, его роль в снижении (с1р/ёф)тах и Ттах ослабевает.

Наиболее высокие значения (ср/ёф)тах и Ттах достигаются при наименьшем диаметре КС (рисунки 4.11 и 4.12) с наибольшей ее глубиной (Д<с/^кс = 3,4), что связано с попаданием большего количества топлива на стенку цилиндра до момента самовоспламенения. Исключение по Ттах составляет только рк = 0,15 МПа.

По мере удаления стенки КС от мыска распылителя (увеличения Д<с) величина (ср/ёф)тах уменьшается, а затем, при малых значениях наддува (0,15 и 0,25 МПа) не меняется. При рк = 0,45 МПа наблюдается устойчивое снижение (ср/ёф)тах с увеличением Дсс, оно составило 13% при изменении Окс/Икс от 3,4 до 10. Также значимым было снижение (ср/ёф)тах при рк = 0,25 МПа в диапазоне значений Д«Жс от 3,4 до 5,6 - 12,5%.

Для объяснения результатов, представленных на рисунках 4.11 и 4.12, построены характеристики скорости тепловыделения (рисунок 4.13) и распределение температуры в объеме над поршнем (рисунок 4.14) при разных диаметрах КС.

Рисунок 4.13 - Характеристики скорости тепловыделения при изменении диаметра камеры сгорания Дсс и давления наддува рк

кс

(Акс, мм)

Рк,

МПа

6о ПКВ после ВМТ

12о ПКВ после ВМТ

20о ПКВ после ВМТ

3,4 (67)

4,5 (74)

0,15

0,25

0,35

0,45

0,15

0,25

0,35

0,45