Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Целесообразность и возможность использования пневматического распыливания топлива для повышения мощностных, экономических и экологических показателей поршневых ДВС 10
1.1. Целесообразность пневматического распыливания топлива в цилиндре поршневого ДВС при использовании его в качестве основной силовой установки 12
1.2. Возможность возвращения к использованию поршневых ДВС с пневматическим распыливанием топлива в настоящее время 25
1.3. Выводы 33
Глава 2. Программа и методика экспериментального исследования. Экспериментальная установка 35
2.1. Программа и методика экспериментального исследования дизеля с пневматическим распыливанием топлива 35
2.2. Экспериментальная установка для натурных исследований рабочего процесса дизеля 1415/20,5 и выбросов вредных веществ с его отработавшими газами 36
2.3. Выводы 47
Глава 3. Результаты экспериментального исследования дизеля размерностью 15,0/20,5 в исходной комплектации и с пневматическим распыливанием топлива 49
3.1. Результаты испытаний дизеля 1415,0/20,5 в исходной комплектации и с пневматическим распыливанием топлива 49
3.2. Анализ результатов испытаний дизеля 1415,0/20,5 в исходной комплектации и с пневматическим распыливанием топлива 55
3.3. Возможности обеспечения пневматического распыливания топлива за счет утилизации энергии отработавших газов опытного дизеля 1415,0/20,5 72
3.4. Выводы 74
Глава 4. Другие возможные направления использования сжатого воздуха для повышения мощностных, экономических и экологических показателей поршневых ДВС 75
4.1. Теплосиловые установки с разделенными процессами сжатия и расширения 75
4.2. Многотопливные поршневые ДВС с возможностью кратковременного значительного повышения мощности при работе на пиковых нагрузках 84
4.3. Комбинированная энергетическая установка для мобильной техники 87
4.4. Пневматические двигатели для утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС 89
4.4.1. Пневматический поршневой двигатель для утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС 89
4.4.2. Свободнопоршневой пневматический двигатель для утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС 91
4.5. Выводы 93
Заключение 95
Основные сокращения 98
Использованная литература 99
Приложения 112
- Целесообразность пневматического распыливания топлива в цилиндре поршневого ДВС при использовании его в качестве основной силовой установки
- Экспериментальная установка для натурных исследований рабочего процесса дизеля 1415/20,5 и выбросов вредных веществ с его отработавшими газами
- Анализ результатов испытаний дизеля 1415,0/20,5 в исходной комплектации и с пневматическим распыливанием топлива
- Теплосиловые установки с разделенными процессами сжатия и расширения
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время существует острое противоречие между безальтернативной потребностью человечества продолжать широкое использование поршневых ДВС (ПДВС) для своих нужд, с одной стороны, и относительно низкой эффективностью процессов энергопреобразования в них, вредным воздействием отработавших газов (ОГ) на человека и окружающую среду (ОС) - с другой. Проведенный автором анализ специальной литературы и патентных источников показал, что это противоречие, может быть существенно сглажено использованием сжатого воздуха, получаемым за счет утилизации «бросовой» теплоты.
В настоящее время сжатый воздух, полученный за счет энергии ОГ, успешно используется только для повышения давления свежего заряда, подаваемого в цилиндры ПДВС, для увеличения мощности без изменения их размеров в системах наддува. В относительно редких исследованиях, посвященных присадке воздуха к топливу при его впрыскивании в дизелях (М.В. Мазинг, А.Е. Свистула, Д.Д. Матиевский) и ряде других работ отмечается, что достоинствами такого впрыскивания являются дополнительное диспергирование топлива, более равномерное распределение его по окислителю и улучшение условий его воспламенения. Однако в этих работах не указывается источник получения добавляемого в топливо воздуха. Между тем, материалы работ B.C. Кукиса, В.В. Руднева, М.Л. Хасановой, В.П. Босякова, В.А. Ткаченко и автора диссертации свидетельствуют о целесообразности и возможности использования сжатого воздуха, получаемого за счет утилизации «бросовой» энергии ОГ для решения целого ряда актуальных задач, стоящих перед современным двигателестроением.
Цель настоящего исследования: повысить мощностные, экономические и экологические показатели ПДВС путем использования сжатого воздуха, получаемого за счет энергии отработавших газов.
Гипотеза исследования. Мощностные, экономические и экологические показатели ПДВС можно повысить, используя сжатый воздух, получаемый за счет «бросовой» энергии их отработавших газов
Для достижения указанной цели на основании выдвинутой гипотезы было необходимо решить следующие задачи:
-
Выявить целесообразность и показать возможность использования пневматического распыливания топлива для повышения мощностных, экономических и экологических показателей ПДВС.
-
Разработать программу, методику исследования и создать экспериментальную установку для проведения натурных испытаний ПДВС с пневматическим распыливанием топлива и его самовоспламенением от сжатия.
3. Провести натурные исследования рабочего процесса дизеля с
пневматическим распыливанием топлива.
-
Оценить эффективность использования пневматического распыли -вания топлива вместо механического на примере дизеля размерностью 15,0/20,5.
-
Количественно оценить возможность получения сжатого воздуха за счет утилизации энергии ОГ опытного дизеля 1415,0/20,5 для обеспечения пневматического распыливания топлива.
-
Провести анализ других возможных путей повышения мощностных, экономических и экологических показателей ПДВС путем использования сжатого воздуха, получаемого за счет «бросовой» энергии их ОГ.
Объектом исследования служили процессы в ПДВС, использующих сжатый воздух для повышения мощностных, экономических и экологических показателей этих двигателей.
Предметом исследования являлись мощностные, экономические и экологические показатели дизеля с пневматическим распыливанием топлива и возможные пути повышения этих показателей в других ПДВС, при использовании сжатого воздуха, получаемого за счет «бросовой» энергии ихОГ.
Научную новизну имеют следующие положения, выносимые автором на защиту:
особенности протекания процесса сгорания в дизеле с распыливанием топлива сжатым воздухом;
результаты оценки энергетических возможностей ОГ дизеля для получения сжатого воздуха, необходимого для пневматического распыливания топлива.
- результаты оценки предложенных автором новых возможных
направлений использования сжатого воздуха, получаемого за счет «бросо
вой» энергии ОГ ПДВС, для повышения их мощностных, экономических и
экологических показателей.
Практическую значимость работы составляют следующие результаты:
подтверждение возможности повышения мощностных, экономических и экологических показателей дизеля за счет реализации распыливания топлива сжатым воздухом;
подтверждение энергетических возможностей ОГ дизеля для обеспечения сжатым воздухом системы пневматического распыливания топлива;
новые возможные направления использования сжатого воздуха, получаемого за счет «бросовой» энергии ОГ ПДВС, для повышения их мощностных экономических и экологических показателей.
Новизна предложенных технических решений подтверждена тремя Патентами на полезную модель.
Результаты исследования могут быть использованы при создании новых и модернизации существующих поршневых и комбинированных ДВС, при проведении НИР и ОКР, а также в учебном процессе.
Методология и методы исследования базировались на системном, комплексном и процессном подходах к решению сформулированных выше задач, методах изучения специальной литературы, теоретического анализа и синтеза полученного экспериментального материала, индуктивного и дедуктивного методах обобщения полученных эмпирическим путем данных, математических и статистических методах обработки полученных экспериментальных материалов, а также для установления количественных зависимостей между изучаемыми явлениями. Теоретическая основа работы базировались на использовании основных положений технической термодинамики, теории рабочих процессов тепловых двигателей, методов статистической обработки результатов испытаний и компьютерного моделирования, а также научных исследований в области двигателестроения, термодинамики и теплотехники, выполненных А.С. Орлиным, М.С. Хова-хом, Р.З. Кавтарадзе, Н.Н. Иванченко, В.Н. Луканиным, Н.К. Шокотовым, В.М. Бродянским, Д.Д. Матиевским, B.C. Кукисом и др. Выводы и рекомендации в своей основе сформулированы на базе результатов натурного экспериментального исследования дизеля 1415,/20,5 в исходной и опытной комплектациях.
Степень достоверности результатов работы подтверждается достаточным объемом экспериментов, применением комплекса современных, информативных и объективных методов исследования, соответствующих государственным стандартам, использованием современной измерительной аппаратуры, систематической её проверкой и контролем погрешностей, подтверждением теоретических результатов экспериментальными.
Реализация результатов работы. Материалы диссертации используются в ООО ГСКБ «Трансдизель» (г. Челябинск), Уральском федеральном университете им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина (г. Екатеринбург) и в Военном учебно-научном центре сухопутных войск «Общевойсковая академия сухопутных войск ВС РФ» (филиал г. Омск).
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и одобрены на: Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития автомобиле- и тракторостроения и подготовки кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ» (Москва, 2010); Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2010) (работа удостоена Золотого диплома Форума); юбилейной научно-технической конференции 5-е Луканинские чтения «Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе». (Москва, 2011); Международной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: актуальные проблемы теории, практики и подготовки кадров», (Челябинск, 2011); 75-й Международной научно-технической конференции ААИ «Перспективы развития автомобилей. Развитие транспортных средств с альтернативными энергоустановками» (Тольятти, 2011); VIII Международной научно-практической конференции
«Настоящи изследования и развитие -2012 (София, 2012); IX Международной научно-практической конференции «Настоящи изследования и развитие -2013 (София, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных статей, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК, получены три Патента на полезную модель.
Объем и содержание работы. Диссертация содержит 117 с, включающих 50 рисунков, 6 таблиц, и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (129 наименований) и приложения.
Целесообразность пневматического распыливания топлива в цилиндре поршневого ДВС при использовании его в качестве основной силовой установки
Дальнейшее развитие ПДВС невозможно без решения ряда проблем, среди которых наиболее важными являются: применение высокого наддува, уменьшение выброса токсичных веществ, обеспечение надежного пуска при низкой температуре окружающей среды (ОС), использование топлив широкого фракционного состава (многотопливность).
При этом важно, чтобы повышение литровой мощности форсированием ПДВС высоким наддувом не приводило к увеличению механических и термических нагрузок на детали двигателя и ухудшению удельного эффективного расхода топлива. При реализуемых в современных ПДВС термодинамических циклах выполнение этих требований можно обеспечить только при относительно невысоких степенях сжатия. Однако малые степени сжатия снижают термический и индикаторный КПД, ухудшают пусковые качества, прежде всего, дизелей, создают неблагоприятные условия для использования топлив различного фракционного состава.
Таким образом, даже краткое рассмотрение проблем, связанных с организацией совершенного рабочего процесса в ПДВС показывает очевидную противоречивость к выбору оптимального значения степени сжатия. Наиболее радикальным путем разрешения этого противоречия, на наш взгляд, является переход (возвращение) к варианту термодинамического цикла со сгоранием при неизменном давлении [44, 45, 100].
Последнее неравенство свидетельствует о том, что среди двигателей с одинаковой механической и термической нагруженностью, наиболее экономичным является термодинамический цикл компрессорного дизеля.
Полезная работа цикла определяется разницей работ, полученной при расширении и затраченной на сжатие, и эквивалентна площади внутри контура цикла в координатах p-v.
Рисунок 1.2 свидетельствует о том, что наибольшую работу цикла среди двигателей с одинаковой механической и термической нагруженностью, обеспечивает также термодинамический цикл компрессорного дизеля.
В таблице 1.1 приведены значения степеней сжатия, степеней повышения давления, степеней предварительного расширения, термического КПД и среднего давления рассматриваемых циклов при ра = 0,1 МПа, pz = 6 МПа и Tz = 2710 К.
Как видно из рисунка и таблицы, в цикле с подводом теплоты при р = idem (в компрессорном дизеле) значительно выше степень сжатия (в 2,52 раза по сравнению с двигателем с искровым зажиганием и в 1,54 раза - по отношению к бескомпрессорному дизелю). Это обеспечивает ему более высокие пусковые качества в условиях низких температур ОС без увеличения механических нагрузок. Превосходит этот цикл оба других и с точки зрения производства полезной работы. Среднее давление цикла на 19, 2 % больше, чем у двигателя с искровым зажиганием и на 4,2 % - чем у бескомпрессорного дизеля.
По экономичности цикл с подводом теплоты при р = idem на 5,6 % превосходит цикл двигателя с искровым зажиганием и на 0,2 % - цикл бескомпрессорного дизеля.
Используя материалы таблицы 1.1, известные положения теории двигателей и литературные данные рассмотрим более подробно особенности двигателей с пневматическим распыливанием топлива. При этом ограничимся обсуждением дизелей, работающих без наддува и с наддувом, так как вопрос реализации высокой степени сжатия в двигателях с искровым зажиганием не стоит в связи со спецификой способа смесеобразования в них и детонационными свойствами используемых топлив.
На рисунке 1.3 приведены зависимости основных параметров рабочего цикла от величины степени сжатия [25, 119, 120].
Как видно, с увеличением є коэффициент остаточных газов уг уменьшается, температура начала процесса сжатия Та понижается, коэффициент наполнения пу незначительно возрастает. Это свидетельствует о более качественном наполнении цилиндра дизеля свежим зарядом.
Давление и температура рабочего тела с конце процесса сжатия (рс и Тс) с ростом є существенно увеличиваются, что благоприятно сказывается на пусковых качествах дизеля. Однако при этом практически столь же интенсивно возрастают максимальное давление и температура цикла (pz и Tz), что ведет к повышению механической и термической нагруженности деталей двигателя.
Характер кривых, показывающих изменение давления и температуры в конце процесса расширения (рь и Ть), свидетельствует о том, что увеличение степени сжатия позволяет уменьшить потери энергии с выбрасываемыми в атмосферу продуктами сгорания, так как снижается их термический и механический потенциал.
На рисунке 1.4 показано влияние степени сжатия на термический, индикаторный, механический и эффективный КПД дизеля [25].
Из рисунка видно, что термический и индикаторный КПД с ростом є увеличиваются, механический - уменьшается, а эффективный КПД до некоторых значений растет, а затем снижается вследствие значительного увеличения механических потерь, обусловленных существенным возрастанием максимального давления рабочего тела.
На рисунке 1.5 приведены опытные данные, иллюстрирующие влияние степени сжатия на максимальное давление в цилиндре, среднюю скорость увеличения давления (жесткость) во время сгорания (Др/Да) , среднее давление механических потерь ртр и удельный индикаторный расход топлива [25].
Как видно, рост є приводит к снижению g; с 208 г/(кВт-ч) при є=12 до 178 г/(кВт-ч) при є=19. Одновременно с этим уменьшается жесткость работы дизеля. Однако эти благоприятные изменения сопровождаются ростом максимального давления в цилиндре, которое приводит к увеличению механических потерь на трение.
В двигателях с наддувом характер влияния степени сжатия на параметры рабочего цикла сохраняется, однако негативное влияние pz в этом случае проявляется при меньших значениях є, так как процесс сжатия начинается при больших давлениях: PZ=PK A, (1.3) где рк - давление наддувочного воздуха; П] - показатель политропы процесса сжатия.
Поскольку показатель политропы процесса сжатия при различных условиях протекания рабочего цикла меняется незначительно, ограничения pz принципиально можно достичь путем снижения степени сжатии или степени повышения давления. Однако уменьшение г, как следует из рассмотренных выше материалов, сказывается отрицательно на всех показателях рабочего процесса дизеля.
Немаловажным обстоятельством, связанным с возможностью реализации в компрессорных дизелях более высоких степеней сжатия является и возможность создания многотопливных двигателей. Широкое использование таких двигателей облегчает приспособление моторного парка к изменяющемуся балансу производства и потребления топлива. В многотопливных двигателях может быть использовано до 71 % топливных фракций нефти, тогда как в двигателях с искровым зажиганием и в дизелях вместе взятых - только 54 % [16]. Кроме того, в многотопливных двигателях бензин используется значительно эффективнее, чем в бензиновых [16]. Абсолютное большинство современных многотопливных двигателей разработано на базе дизелей, так как с точки зрения рабочего процесса они обладают более широкими возможностями в отношении использования различных сортов моторных топлив. Однако в случае применения легких топлив работа дизелей становится жесткой, значительно увеличивается шум, затрудняется, а иногда становится невозможным, холодный пуск. Появляются и некоторые другие проблемы, которые можно практически избежать, если двигатель имеет высокую степень сжатия [25].
Весьма важна высокая степень сжатия для обеспечения надежного пуска дизеля и при использовании обычных топлив. На рисунке 1.6 приведены пусковые характеристики двигателя Д-240, полученные при температуре минус 5 С с различными степенями сжатия [71].
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что даже незначительное увеличение є приводит к заметному улучшению пусковых качеств двигателя.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что для уменьшения максимального давления в цилиндре снижать степень сжатия нецелесообразно.
Экспериментальная установка для натурных исследований рабочего процесса дизеля 1415/20,5 и выбросов вредных веществ с его отработавшими газами
Экспериментальная часть натурных исследований была проведена на базе испытательной лаборатории НП «Сертификационный центр автотракторной техники» (г. Челябинск).
На рисунке 2.1 показан дизель 1415,0/20,5, установленный на испытательном стенде, на рисунке 2.2 - пультовая испытательного стенда.
Дизель 1415,0/20,5 имеет жидкостное охлаждение, которое на стенде осуществлялось проточной водопроводной водой, необходимая ее температура могла регулироваться с помощью ТЭНов.
Циркуляция масла в смазочной системе обеспечивалась шестеренным насосом с приводом от электродвигателя, установленного вне дизеля.
Температуру масла регулировали с помощью водомасляного теплообменника с ТЭНами, установленного вне двигателя.
Давление масла регулировали редукционным клапаном и контролировали с помощью манометра. Все сказанное позволило исключить из состава механических потерь затраты мощности, вырабатываемой дизелем, на привод жидкостного, масляного насосов и вентилятора, предназначенного для охлаждения жидкостного и масляного радиатора, также отсутствовавших на двигателе. Не было на двигателе и электрического генератора.
Основные характеристики дизеля 1415,0/20,5 в исходной комплектации приведены в таблице 2.1.
Для работы с пневматическим распыливанием топлива в комплектацию дизеля 1415,0/20,5 были внесены следующие изменения.
1. Заменен поршень. Его днище выполнено вогнутым с радиусом 119 мм (рисунок 2.3).
2. В связи с изменением формы днища поршня объем камеры сгорания уменьшился на 23 %.
3. Из односекционного топливного насоса удален нагнетательный клапан.
4. На основе анализа материалов [76, 77] разработана и изготовлена форсунка для пневматического распыливания топлива оригинальной конструкции (рисунок 2.4).
Пневматическая форсунка работает следующим образом.
Цикловая порция топлива подается в форсунку плунжером топливного насоса в конце хода всасывания. За время сжатия топливо по каналу 15 попадает в полость под корпусом форсунки 7. Сюда же по каналу 5 поступает сжатый воздух (из баллона - см. рисунок 2.1), который перемешивается с топливом. При подаче напряжения из блока управления на катушку электромагнита 9 якорь-игла форсунки 14 поднимается и распыливающий воздух, устремляясь в цилиндр, захватывает с собой топливо. Однако оно не все сразу выбрасывается в цилиндр, а размазывается между сетками 3.
Воздух в продолжение всего времени открытия соплового отверстия постепенно забирает топливо и распыливает его в цилиндр.
Таким образом, созданием постепенного ввода топлива обеспечивается возможность приближения работы дизеля к циклу со сгоранием при неизменном давлении. Сопловое отверстие представляло собой сопло Лаваля с минимальным диаметром 1,3 мм, что обеспечивало равномерное распыливание топливовоздуш-ной смеси со сверхзвуковой скоростью на выходе по объему камеры сгорания.
Начало и продолжительность впрыскивания определялась моментом подачи управляющего импульса на катушку электромагнита и продолжительностью этого импульса.
При проведении испытаний применялись аттестованные в установленном порядке приборы и оборудование. Перечень средств измерений приведен в таблице 2.2.
В качестве тормозного устройства применялась асинхронная балансирная машина «Всетин» типа DS (Чехия)» с системой управления этой же фирмы.
Для исследования рабочего процесса использовался индикатор МАИ-2, который обеспечивал получение усредненной индикаторной диаграммы за большое количество рабочих циклов. На рисунке 2.5 приведен пример оригинала диаграммы, полученной на одном из режимов работы дизеля 1ЧН15/20,5 с пневматическим распыливанием топлива.
На рисунке 2.6 приведены параметры обработки индикаторных диаграмм. Обработка диаграмм производилась известными методами [56, 57, 101].
Для регистрации момента начала подъема иглы и продолжительности впрыскивания контактный узел, который при подаче напряжения на катушку электромагнита замыкал цепь от источника питания напряжением 0,1 В до левой розетки усилителя дополнительных сигналов двухлучевого осциллографа. При этом на луче диаграммы появлялось просветление, которое исчезало при размыкании контактов и отключении напряжения на катушке электромагнита цепь от источника питания.
Для определения выбросов оксидов азота, оксида углерода и углеводородов использовалась газоаналитическая система Тест-1С (рисунок 2.7), производства ООО «НПФ Экология», включающая комплект газоанализаторов, системы пробо-отбора, пробоподготовки и управления.
Анализ результатов испытаний дизеля 1415,0/20,5 в исходной комплектации и с пневматическим распыливанием топлива
Совершенно очевидно, что все различия рабочих процессов дизеля 1414,0/20,5 в исходной комплектации и в случае пневматического распыливания топлива, отраженные на рисунке 3.5 и в материале таблиц 3.1 и 3.2, обусловлены особенностями протекания процесса сгорания в том и другом случаях. Обсудим их.
На рисунке 3.6 представлен фрагмент индикаторных диаграмм, позволяющий подробно проанализировать различия в особенностях протекания этого процесса.
Прежде всего, из рисунка 3.6 видно, что максимальное давление рабочего тела снизилось на 7,25 %.
Теоретически ожидаемого перехода к сгоранию топлива при р = idem не произошло, но степень повышения давления существенно уменьшилась (на 33,2 %), а степень предварительного расширения заметно увеличилась (на 66,2 %). Тем не менее, у автора остается твердая уверенность в том, что добиться практически полного осуществления процесса сгорания при практически неизменном давлении можно, но для этого следует провести серию дополнительных экспериментов по подбору соответствующей цикловой подачи топлива и продолжительности его распыливания.
Задержка воспламенения при пневматическом распыливании топлива сократилась практически на 80 %. Связано это в том, что в бескомпрессорном дизеле за время физической задержки воспламенения в цилиндре должны произойти сложные физические процессы: распад струи топлива на капли, нагрев и хотя бы частичное испарение этих капель, диффузия паров топлива и воздуха (образование газовоздушной смеси). Только после этого начинается образование холоднопламен-ных химических процессов [31].
В случае же пневматического распыливания топлива в цилиндр сразу поступает газовоздушная смесь и первое слагаемое в формуле Tj = ТфИЗ + тХИм (где ТфИ3. -физическая задержка воспламенения; тхим - химическая задержка воспламенения) практически исчезает и процесс задержки воспламенения носит практически кинетический характер. Напомним, что в двигателе с пневматическим распыливанием топлива была изменена форма камеры сгорания (см. рисунок 2.3), что, с одной стороны, обеспечило более высокие давление и температуру в цилиндре в момент начала впрыскивания топлива, с другой - сократило поверхность теплоотвода от рабочего тела в стенки внутрицилиндрового пространства, что обусловило дополнительное увеличение температуры заряда в конце процесса сжатия (рисунок 3.7).
Сказанное привело к сокращению продолжительности кинетической фазы периода задержки воспламенения. Следует подчеркнуть, что, несмотря на весьма высокую степень гомогенности заряда при пневматическом распыливании топлива, обусловленную тем, что распыливающее сопло выполнено в форме сопла Ла-валя с широким углом расширения и попадающая в цилиндр топливовоздушная смесь распределяется по объему камеры сгорания практически равномерно, в ней всегда есть зоны с благоприятным для самовоспламенения локальным значением коэффициента избытка воздуха в связи с наличием в заряде и мелких испаряющихся капелек топлива.
Наличие в цилиндре мелких капелек топлива при пневматическом распы-ливании подтверждает и дифференциальный закон тепловыделения (рисунок 3.7).
Как видно он характеризуется двумя выраженными максимами (также как и при исходной комплектации двигателя), что характерно для однократного тепловыделения [31].
Однако значительно более очевидный второй максимум указывает на то, что даже в самом начале процесса тепловыделения доминирующим является диффузионный механизм горения, в отличие от исходного варианта, где вначале явно преобладает кинетический механизм.
Значительно более короткий период задержки воспламенения при пневматическом распыливании топлива (на 78,0 %) и более продолжительный период быстрого сгорания (на 86,2 %) обусловливает и существенное снижение максимальной скорости нарастания давления (на 17,8 %).
Сравнение характеристик выгорания топлива (см. рисунок 3.7) свидетельствует о том, что в случае пневматического распыливания, продолжительность сгорания заметно сократилась (практически на 20-25 град ПКВ), чему способствует, прежде всего, высокая гомогенизация заряда его интенсивное перемешивание.
Подтверждением сказанного является визуализация особенностей поведения векторов скоростей движения заряда в надпоршневом пространстве у исходного варианта двигателя и у дизеля 1415,0/20,5 при распыливании топлива сжатым воздухом (рисунок 3.8).
Материалы по визуализации векторов движения заряда и характеру образования токсичных компонентов в цилиндре дизеля 1415,0/20,5 (см. рисунки. 3.8-3.12) были получены с использованием программы AVL Fire [124] (исходные данные, принятые для расчета, приведены в приложении Б).
Идентификация математической модели была выполнена с использованием результатов стендовых испытаний дизеля 4ЧН15/20.5 [62]. При этом коэффициент парной корреляции расчетных и экспериментальных значений составил 0,97, что достаточно для инженерных расчетов.
Как видно из рисунка 3.8, за 10 град ПКВ до прихода поршня в ВМТ в камере ЦНИДИ имеет место не очень активное перетекание заряда из периферийных зон надпоршневого пространства в камеру в поршне, усиливающееся в районе острых кромок. Максимальная скорость движения рабочего тела имеет место в области топливных факелов и в районе самых удаленных стенках камеры в поршне, где она достигает 35 м/с. Минимальна скорость движения заряда в центре у днища камеры сгорания и на некотором удалении от пристеночной зоны. Здесь она составляет примерно 8 м/с.
В опытной камере сгорания за 10 град ПКВ до прихода поршня в ВМТ скорости движения заряда не превышают 7 м/с в самом углубленном месте днища поршня, но как только начинается пневматическое впрыскивание топлива, картина резко меняется и за 5 град ПКВ до прихода поршня в ВМТ в зоне, куда происходит впрыскивание, скорость движения рабочего тела уже превышает 380 м/с, причем векторы скоростей ориентированы в разные стороны, что свидетельствует об интенсивном перемешивании поступающей в цилиндр топливно-паровоз-душной смеси. Именно этот факт является причиной того, что уже в самом начале процесса тепловыделения доминирующим является диффузионный механизм горения, о чем говорилось выше.
В камере же ЦНИДИ в этот момент заметных изменений не происходит, хотя максимальная скорость движения заряда и несколько увеличивается (примерно на 3 м/с).
В момент прихода поршня в ВМТ и в камере ЦНИДИ и в опытной камере сгорания характер движения заряда практически не изменяется, хотя в первой максимальная скорость остается примерно такой же, как была (на уровне 40 м/с), а в опытной камере она увеличивается почти до 450 м/с. Следует подчеркнуть, что и минимальные скорости в опытной камере сгорания в четыре раза больше, чем в исходном варианте.
Теплосиловые установки с разделенными процессами сжатия и расширения
Одним из серьезных недостатков традиционных ПДВС является то, что в конце процесса расширения, который обычно называют рабочим ходом, давление продуктов сгорания остается веьма высоким - в 5-6 раз выше атмосферного.
На рисунке 4.1 показан рабочий процесс современного (бескомпрессорного) дизеля е-а-с- z -z-b-a-e с учетом основных допущений, характерных для термодинамического цикла с комбинированным подводом теплоты (процесс сгорания условно заменен совокупностью процессов подвода теплоты по изохоре c-z и по изобаре z —z, процесс выпуска условно заменен отводом теплоты по изохоре Ъ—а и по изобаре а—е, гидравлические потери в процессах газообмена отсутствуют).
На рисунке замкнутый процесс a-c-z -z-b представляет собой термодинамический цикл современного дизеля. Желтая площадь эквивалентна полезной работе этого цикла. Заметим, что площадь под линией а-с соответствует затратам работы на сжатие воздуха перед впрыскиванием топлива в цилиндр и сгоранием.
Обеспечить полное расширение продуктов сгорания в цилиндре поршневых двигателей (а значит, и получить дополнительную полезную работу, эквивалентную площади b-d-a) принципиально невозможно, так как сжатие и расширение происходят в одном и том же надпоршневом пространстве при перемещении поршня между ВМТ и НМТ.
Известны циклы ДВС с продленным расширения. К ним можно отнести циклы Кристиансена, Миллера, Аткинса [99], с помощью которых возможно реа-лизовывать продолженное расширение. Использование двух последних подходов для увеличения КПД двигателя развивалось в последующих работах другими исследователями [1]. Общим во всех отмеченных работах является то, что рабочий цикл реализуется в одном рабочем пространстве и продолженное расширение обеспечивается укорочением процесса сжатия за счет того, что выпускные органы закрываются после некоторого перемещения поршня от НМТ к ВМТ (рисунок 4.2).
Нельзя не обратить внимание на то, что и при укороченном сжатии на его организацию требуется затрачивать некоторое количество энергии (эквивалентное площади под линией а-с).
Иной подход использован в работах [97, 99, 114 и др.]. Характерной особенностью этой группы работ является предложение осуществления процессов сжатия и расширения в различных полостях. При этом общая картина, соответствующая термодинамике процессов, несмотря на разделение полостей не изменяется и соответствует рисунку 4.2.
Более рациональные решения задачи разделения процессов сжатия и расширения, на наш взгляд, содержат работы [35, 81, 82].
На рисунке 4.3 показана принципиальная схема теплосиловой установки (ТСУ) простого действия с разделенными процессами сжатия-расширения и утилизацией теплоты ОГ [68, 89].
Теплосиловая установка, показанная на рисунке 4.3, работает следующим образом. Когда после завершения процесса сгорания и рабочего хода поршень начинает перемещаться вверх, открывается выпускной клапан и продукты сгорания выходят из цилиндра в выпускной трубопровод. Они нагревают головку ДС, который выполнен в виде свободнопоршневого термокомпрессора. Здесь атмосферный воздух сжимается и направляется в ресивер [47].
В момент, когда поршень начинает перемещаться сверху вниз, открывается впускной клапан и сжатый воздух из ресивера поступает в цилиндр, туда же одновременно через форсунку подается топливо.
Топливо воспламеняется, и дальше все происходит также как в обычном дизеле. Однако теперь приводной механизм рассчитывают таким образом, что он позволяет увеличивать объем продуктов сгорания до тех пор, пока давление рабочего тела не снизится практически до атмосферного. В результате при расширении получается больше работы, чем в традиционном поршневом двигателе. Кроме того, для сжатия воздуха энергия не затрачивается - это сжатие осуществляется в термокомпрессоре за счет утилизации теплоты ОГ. Как видно, теперь почти вся работа расширения (кроме затрат на выталкивание из цилиндра продуктов сгорания - эквивалентная площади под линией 1-2 на рисунке 4.4) может быть полезно использована.
Если расширение рабочего тела осуществлять не до атмосферного давления (что имеет место на рисунке 4.4), то перепад давлений ОГ и окружающей среды можно использовать для привода высокочастотного электрогенератора от газовой турбины, установленной на выпуске (рисунок 4.5). Электрогенератор может приводить в действие компрессор, который будет обеспечивать сжатым воздухом реализацию описанного выше процесса.
Следует отметить, что рассмотренные конструкции наряду с очевидными достоинствами обладают и рядом недостатков.
1. Рабочий ход в расширительной машине (т. е. перемещение поршня, обусловливающее производство работы) происходит один раз за полный оборот коленчатого вала.
2. Теплосиловая установка имеет относительно невысокие удельные массовые показатели, связанные с наличием системы утилизации и расширительной машины, оборудованной картером и кривошипно-шатунным механизмом.
3. Частота повторения рабочих ходов (а значит, и вырабатываемая мощность) ограничена в связи с потенциальной возможностью разрыва шатуна под действием инерционных нагрузок.
От указанных недостатков освобожден свободнопоршневой вариант теплосиловой установки двойного действия, представляющий собой линейный генератор электрической энергии (рисунок 4.6) с разделенными процессами сжатия и расширения [49, 50, 88, 90].
