Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пути улучшения экологических и топливно-экономических показателей перспективных дизелей 12
1.1. Особенности образования токсичных компонентов отработавших газов в дизеле 12
1.2. Способы снижения токсичности отработавших газов и улучшения топливной экономичности дизелей 17
1.2.1. Формирование оптимальных рабочих процессов в дизеле 18
1.2.2. Угол опережения впрыскивания топлива 26
1.2.3. Коэффициент избытка воздуха 29
1.2.4. Интенсивность «закрутки» воздушного заряда 31
1.2.5. Давление впрыскивания топлива 33
1.2.6. Количество и диаметр сопловых отверстий в распылителе 39
1.2.7. Размеры и форма камеры сгорания в поршне 42
1.2.8. Степень сжатия 45
1.3. Опыт применения рециркуляции отработавших газов в дизелях . 47
1.3.1. Снижение токсичности отработавших газов при использовании РОГ 47
1.3.2. Анализ существующих схем системы РОГ для использования в дизеле с турбонаддувом 56
1.4. Анализ математических моделей рабочих процессов дизеля и некоторые результаты их использования 64
Выводы к первой главе 71
Глава 2. Разработка организации рабочих процессов в перспективном транспортном дизеле с рециркуляцией отработавших газов 74
2.1. Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания в транспортном дизеле 74
2.2. Формирование рабочих процессов в транспортном дизеле при использовании рециркуляции отработавших газов 81
2.3. Улучшение топливной экономичности дизеля за счёт уменьшения коэффициента избытка воздуха при использовании РОГ 85
2.4. Методика расчёта количества отводимой с ОГ теплоты в дизеле при использовании РОГ 88
2.5. Характеристики управления основными регулировками процесса сгорания в транспортном дизеле в зависимости от нагрузочного и скоростного режима работы 92
Выводы ко второй главе 95
Глава 3. Экспериментальное исследование транспортного дизеля с системой рециркуляции отработавших газов 97
3.1. Объект исследований и испытательное оборудование 97
3.2. Результаты испытаний транспортного дизеля 6ЧН 13/14 102
3.2.1. Исследование дизеля в комплектации с системой РОГ и опытным турбокомпрессором ТКР 9 102
3.2.2. Исследование дизеля в комплектации с системой РОГ и турбокомпрессором с HIT 106
3.2.3. Исследование дизеля в комплектации без системы РОГ и с серийным турбокомпрессором ТКР 9 109
3.2.4. Индицирование давлений в цилиндре дизеля при использовании РОГ 110
3.3. Анализ результатов испытаний дизеля 6ЧН 13/14 с РОГ , 112
3.4. Расчёт количества отведённой с выхлопными газами теплоты в дизеле при использовании РОГ 115
Выводы к третьей главе 118
Глава 4. Расчётная оптимизация параметров транспортного дизеля с рециркуляцией отработавших газов 121
4.1. Проверка адекватности математической модели при моделировании рабочих процессов в ТД с системой РОГ высокого давления 122
4.2. Расчётное определение оптимальных конструктивных и регулировочных параметров дизеля с РОГ 125
4.2.1. Методика расчётной оптимизации основных параметров рабочих процессов дизеля с системой РОГ высокого давления с соплом Вентури 125
4.2.2. Выбор и оптимизация параметров рабочих процессов дизеля 6ЧН 13/14 с системой РОГ высокого давления 127
Выводы к четвёртой главе 137
Выводы по работе 138
Литература 140
Приложение 155
- Способы снижения токсичности отработавших газов и улучшения топливной экономичности дизелей
- Формирование рабочих процессов в транспортном дизеле при использовании рециркуляции отработавших газов
- Исследование дизеля в комплектации с системой РОГ и опытным турбокомпрессором ТКР 9
- Расчётное определение оптимальных конструктивных и регулировочных параметров дизеля с РОГ
Введение к работе
В настоящее время дизельный двигатель занимает доминирующее положение среди существующих энергетических установок с мощностью больше 120 кВт в секторе автомобильного транспорта. Основными направлениями совершенствования показателей транспортных дизелей (ТД) являются: снижение токсичности отработавших газов (ОГ), уменьшение удельного эффективного расхода топлива, уровня вибрации и шумности двигателя, удельной массы двигателя, срока службы моторного масла, а также увеличение литровой мощности, интервала между техническими обслуживаниями, надёжности и ресурса работы двигателя [I, 2, 3,4].
Во многих больших городах, таких как Берлин, Мехико, Токио, Москва, Санкт-Петербург, Киев, загрязнение воздуха автомобильными выхлопами и пылью составляет, по разным оценкам, от 80 до 95 % от всех прочих загрязнений. Автомобильные выхлопы в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух на уровне человеческого роста. И люди вынуждены дышать воздухом, в котором содержатся вредные для здоровья вещества. В связи с этим уменьшение количества выбрасываемых двигателем в окружающую среду вредных веществ является одной из главных составляющих мер по улучшению здоровья людей.
На протяжении последнего десятилетия основной движуще силой развития двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и в частности ТД, является происходящее через определённые промежутки времени ужесточение нормативных ограничений по токсичности ОГ. Так, например, действующие в Европе нормативы для ТД EURO 3 по сравнению с нормативами EURO 2 характеризуются ужесточением требований по выбросам оксидов азота - NOx на 40 %, «твердых» частиц (ТЧ) - на 50 %, углеводородов - СН на 80 %, мо-ноокснда углерода - СО на 100 %. По опыту ведущих зарубежных производителей и исследовательских институтов [5, 6, 7] для достижения ТД нормативов EURO 3 требуется модернизация целого ряда деталей и агрегатов дви-
гателя, а также использование энергоёмкой топливной аппаратуры (ТА) с электронной системой управления процесса топливоподачи. Наряду с необходимостью снижения токсичности ОГ следует учитывать важность снижения финансовых затрат на топливо, которые составляют примерно 30 % всех затрат, идущих на жизненный цикл грузового автомобиля [8].
Как показывает практика, использование традиционных способов снижения токсичности ОГ в ТД, в том числе и за счёт позднего начала впрыскивай ия> топлива, т.е. уменьшения угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ), приводит, при переходе на более высокий уровень нормативов по экологии, к постепенному ухудшению топливной экономичности двигателя. Поэтому актуальной становится задача снижения токсичности ОГ при сохранении высокой топливной экономичности двигателя. Её решение требует применения в ТД дополнительных систем очистки и нейтрализации токсичных компонентов ОГ, а также, например, системы рециркуляции отработавших газов (РОГ), совместно с оптимизацией конструктивных и регулировочных параметров двигателя,
В настоящее время в нашей стране работы связанные с улучшением экологических и топливно-экономических показателей дизелей ведутся весьма малыми темпами, а результаты последних исследований иностранных фирм по этой же тематике практически недоступны.
Целью диссертационной работы является снижение токсичности отработавших газов транспортного дизеля при сохранении высокой топливной экономичности путём применения РОГ в совокупности с совершенствованием рабочих процессов.
Диссертационная работа направлена на достижение ТД перспективных нормативных ограничений по токсичности ОГ при сохранении высокой топливной экономичности за счёт применения РОГ и оптимизации конструктивных и регулировочных параметров двигателя за счёт проведения численных исследований на математической модели рабочих процессов дизеля с РОГ.
Научная проблема диссертационного исследования формулируется следующим образом. Разработка организации рабочих процессов в ТД при использовании РОГ, с целью совокупной минимизации выбросов NOx, ТЧ с ОГ и удельного эффективного расхода топлива. Оптимизация использования РОГ в ТД в области высоких нагрузок с целью сохранения высокого уровня топливной экономичности и малой дымности ОГ. Проведение численного исследования и оптимизации основных конструктивных и регулировочных параметров дизельного двигателя 6ЧН 13/14 (ЯМЗ-7601Л0) с системой РОГ.
В связи с многочисленностью параметров, определяющих характер и качество рабочих процессов, решение задачи по их оптимизации с целью достижения наилучших соотношений между выбросами NOx, ТЧ с ОГ и топливной экономичностью является крайне трудной задачей. Для сокращения сроков работ по доводке показателей двигателей и снижения финансовых затрат на их выполнение целесообразно проведение расчётно-оптимизационных исследований с использованием программных продуктов, достоверно моделирующих рабочие процесса дизеля с учётом-РОГ. При этом с целью получения адекватных результатов требуется разработка методики расчётной оптимизации основных параметров дизеля с системой РОГ высокого давления с соплом Вентури, которая позволит провести одновременную минимизацию выбросов NOx, ТЧ с ОГ и расхода топлива.
ПЕРВАЯ ГЛАВА диссертации посвящена вопросам улучшение экологических и топливно-экономических показателей ТД. В ней рассматриваются особенности образования различных токсичных компонентов ОГ. Делается анализ влияния основных конструктивных и регулировочных параметров двигателя и ТА на выбросы вредных веществ (ВВ) с ОГ и топливную экономичность. Предлагаемые в большинстве рассматриваемых работ решения направлены, как правило, либо только на снижение токсичности ОГ, либо только на улучшение топливно-экономических показателей двигателей. В работах В.И. Смайлиса сформулирован важный термодинамический принцип организации оптимального дизельного процесса с точки зре-
8 ния достижения наилучшего соотношения между топливной экономичностью и выбросами NOx, согласно которому необходимо стремиться получить максимальные среднемассовые температуры в цилиндре при минимальной неравномерности температурного поля. Также представлен обзор эффектов и механизмов воздействия РОГ на процессы сгорания и образования ВВ. Приводятся некоторые результаты экспериментальных исследований влияния РОГ на показатели двигателя и параметры процесса сгорания. В результате проведённого анализа существующих схем системы РОГ показано, что в дизеле с турбо наддувом и охладителем надувочного воздуха (ОНВ) целесообразно использовать систему РОГ высокого давления с охлаждением рецирку-лируемых газов (РГ). Выполнен анализ отечественных программных продуктов, позволяющих рассчитывать показатели дизельного двигателя на основании математического моделирования его рабочих процессов. В конце главы поставлены задачи исследования.
Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ предлагается концепция организации рабочих процессов в перспективном ТД на основе применения РОГ и раннего начала впрыскивания топлива, которая позволит уменьшить выбросы всех токсичных компонентов ОГ до уровня перспективных нормативных ограничений по токсичности ОГ при сохранении на высоком уровне топливной экономичности. Данный результат будет достигаться за счёт следующих изменений в процессе сгорания:
уменьшение количества кислорода в заряде с одной стороны и увеличение количества продуктов сгорания в заряде с другой стороны;
уменьшение локальной температуры в зоне продуктов сгорания за фронтом пламени;
уменьшение неравномерности температурного поля в объёме камеры сгорания (КС);
- более раннее окончание процесса активного тепловыделения;
повышение среднемассовой температуры и давления газов в цилиндре в
период сгорания.
Показана целесообразность применения в ТД с системой РОГ высокого давления турбокомпрессора с переменной геометрией соплового аппарата турбины (ПГТ) с целью обеспечения РОГ на режимах высоких нагрузок и достижения наилучших соотношений между выбросами NOx, ТЧ и топливной экономичностью во всём поле скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя.
Разработана методика расчёта количества теплоты, отводимой с выхлопными газами в окружающую среду в дизеле с турбонаддувом и «охлаждаемой» РОГ.
Приведены и обоснованы характеристики совместного управления степенью РОГ, УОВТ и коэффициентом избытка воздуха- а в.зависимости от нагрузочного и скоростного режима работы, дизеля; способные обеспечить наибольшее уменьшение выбросов всех токсичных компонентов ОГ и улучшение топливной экономичности на всех режимах работы ТД.
В^ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приводятся результаты экспериментальных исследований ТД 6ЧН 13/14 (ЯМЗ-7601.10) с различными? комплектациями системы РОГ и турбокомпрессорами. Экспериментально подтверждено, что организация рабочего процесса в дизеле на основе совместного применения РОГ и раннего начала впрыскивания топлива позволяет снизить выбросы NOx с ОГ до уровня нормативов EURO 4, а также обеспечивает, по сравнению со способом снижения выбросов NOx за счёт позднего начала впрыскивания топлива, более лучшее соотношение между выбросами NOx и топливной экономичностью. Причём уменьшение выбросов NOx за счёт повышения степени РОГ сопровождается меньшей интенсивностью ухудшения топливной экономичности, чем за счёт уменьшения УОВТ.
Показано, что использование в дизеле с системой РОГ высокого давления турбокомпрессора с ПГТ по сравнению с нерегулируемым турбокомпрессором на режимах высоких нагрузок позволяет за счёт уменьшения пропускной способности турбины скомпенсировать возникающее при РОГ уменьшение количества выпускных газов, проходящих через турбину, и тем
10 самым увеличить количество подаваемого в цилиндры воздуха, а также обеспечить положительный перепад между давлением РГ и давлением наддувочного воздуха после ОНВ в области высоких нагрузок, не прибегая к использованию сопла Вентури.
Установлено, что наилучшей комплектацией дизеля 6ЧН 13/14 с системой РОГ высокого давления» при которой достигаются наилучшие соотношения между выбросами NOx, ТЧ и топливной экономичностью, является комплектация со смесителем РГ и с турбокомпрессором, с ПГТ. В данной комплектации двигатель 6ЧН 13/14 по токсичности ОГ, соответствует нормативам EURO 3.
Произведены расчёты^количества теплоты, отводимого с выхлопными газами в окружающую среду в дизеле с турбонаддувом и системой РОГ, а также определено влияние РОГ и коэффициента избытка воздуха на потери теплоты с выхлопными газамИ'И топливную экономичность дизельного двигателя.
В ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ представлена методика расчётной оптимизации конструктивных и регулировочных параметров дизеля при использовании РОГ. По данной методике с использованием1 программы ДИЗЕЛЬ-РК проведена оптимизация! параметров и регулировок рабочего процесса дизеля 6ЧН 13/14 (ЯМЗ-7601.10) с системой РОГ высокого давления на режиме п = 1200 мин"1, нагрузка 75 % от полной, Было установлено, что оптимальным вариантом будет применение в дизеле 6ЧН 13/14 смесителя РГ с диаметром 85 мм. Использование в дизеле 6ЧН 13/14 системы РОГ высокого давления и указанных параметров, по сравнению с базовым вариантом двигателя без системы РОГ, позволяет на режиме n = 1200 мин'1 при нагрузке 75 % уменьшить выбросы NOx с ОГ в 2 раза, выбросы ТЧ с ОГ на 5,2 %, удельный эффективный расход топлива примерно на 11 г/(кВт*ч) (на 5,4 %). Полученный уровень выбросов NOx с ОТ соответствует нормативам EURO 4, а выбросов ТЧ нормативам EURO 3.
11 На защиту автором выносятся:
Разработана концепция организации рабочих процессов в дизеле, которая базируется на совместном применении РОГ, раннего начала впрыскивания топлива, регулируемого турбонаддува и повышении качества смесеобразования во всём поле скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя. Данная концепция позволяет снижать выбросы ВВ с ОГ при сохранении высокой топливной экономичности двигателя.
Установлена и обоснована целесообразность использования в ТД с системой РОГ высокого давления турбокомпрессора с ПГТ с целью достижения наилучших соотношений между выбросами-NOx> ТЧ с ОГ и топливной экономичностью, а также реализации РОГ в области высоких нагрузок без использования сопла Вентури.
Предложены и экспериментально апробированы характеристики совместного управления степенью РОГ, УОВТ и коэффициентом избытка воздуха в ТД в зависимости от нагрузочного и скоростного режима работы, способствующие снижению выбросов ВВ с ОГ до уровня перспективных нормативных ограничений и улучшению топливной экономичности на всех режимах работы двигателя.
Разработана методика расчётной оптимизации основных конструктивных и регулировочных параметров дизеля с системой РОГ высокого давления с соплом Вентури с целью одновременной минимизации выбросов NOx, ТЧ с ОГ и расхода топлива.
Разработана методика расчёта количества теплоты, отводимой с ОГ в окружающую среду в дизеле с турбонаддувом и системой РОГ высокого давления с охлаждением РГ.
Способы снижения токсичности отработавших газов и улучшения топливной экономичности дизелей
Решению задач улучшения экологических и топливно-экономических показателей дизелей посвящены многие исследования, среди которых можно выделить работы Д.Н. Вырубова, Ю.Б. Свиридова, В.Р. Гальговского, В.И. Смайлиса, Б.Н. Семенова, А.Н. Воинова, Н,Х. Дьяченко, А.С, Хачияна, Н.Н. Иванченко, О.Г. Красовского, И.И. Гершмана, Н.Ф. Разлейцева, Л.М Жмудяка, Б,М. Гончара, О.Г. Красовского, А.С. Кулешова, В.В. Гаври-лова, Д.Д. Брозе и других. В этих работах [2, 19, 20, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38] было установлено, что совершенствование процесса сгорания в дизеле должно базироваться на сокращении продолжительности тепловыделения, повышении качества смесеобразования, уменьшении потерь теплоты в стенки внутрицилиндрового пространства и с ОГ, увеличении полноты сгорания топлива и полноты использования находящегося в КС воздуха. Вместе с этим необходимо стремиться обеспечить низкую интенсивность образования раз личных токсичных компонентов и малый уровень шума при работе двигателя. Для достижения данных условий необходимо воздействовать на большое количество конструктивных и регулировочных параметров двигателя, основными из которых являются: рабочий объём и количество цилиндров; отношение хода поршня к диаметру цилиндра - S/D; размеры и форма камеры сгорания в поршне; расположение факелов топлива в объёме камеры сгорания; количество топливных факелов; геометрические и газодинамические параметры впускных и выпускных каналов; величина закрутки воздушного заряда в КС; начало и продолжительность впрыскивания топлива; форма характеристики впрыскивания топлива; величина давлений впрыскивания топлива; геометрические и гидравлические параметры форсунки и распылителя; величина коэффициента избытка воздуха; температура поступающего в цилиндр воздушного заряда; степень сжатия; величина относительного объёма камеры сгорания — отношение объёма камеры сгорания к объёму сжатия (V кс = VKC / Vc). В работах В.Р. Гальговского [1,2] показывается, что критерием совершенства процесса сгорания в дизеле, с точки зрения улучшения экологических показателей при сохранении на высоком уровне топливной экономичности двигателя, является достижение высокого уровня индикаторного КПД при минимальной величине степени повышения давления при сгорании - X. На рис. 1.1 приведена схема изменения индикаторного КПД —г];, периода задержки воспламенения топлива - cpv максимальной скорости нарастания давления при сгорании - (dp/d(p)max, дымности ОГ - Nx и концентраций NOx, СН и СО в ОГ — Скох, ССн и Ссо в функции X при постоянных значениях частоты вращения коленчатого вала п. и коэффициента избытка воздуха а, соответствующего работе двигателя при полной нагрузке.
Изменение величины X достигалось изменениемфегулировки-УОВТ - 0у с целью оптимизации тепловыделения при использовании конкретной организации рабочих процессов в дизеле. По мере совершенствования процесса сгорания за счёт увеличения давления впрыскивания, уменьшения продолжительности тепловыделения -Фхтзх, уменьшения ПЗВТ, увеличения полноты сгорания топлива и повышения равномерности смешения топлива с воздушным зарядом показатели дизельного двигателя последовательно изменяются от зависимостей 1 (соответствующих исходной организации процессов сгорания) к зависимостям 2, 3,,„ и, при повышении степени сжатия - є, к 4. Это приводит к тому, что максимальное значение индикаторного КПД последовательно увеличивается и достигается всё при меньших оптимальных значениях степени повышения давления при сгорании - Я ггг, и, следовательно, при меньших оптимальных величинах УОВТ - 0впр- 0ПТш Определяется это увеличением интенсивности сгорания, прежде всего, в диффузионной области и сокращением общей продолжительности тепловыделения - фхтах, что сопровождается также активным выгоранием сажи и снижением дымности ОГ. Таким образом получается, что при уменьшенной величине Х,оиг, достигается высокие индикаторной КПД и меньшие концентрации NOx, СН в ОГ. В статье [39] отмечается, что для снижения выбросов ВВ с ОГ до уровня нормативов EURO 3 требуется обеспечить высокую степень оптимизации процессов сгорания при малых значениях а и X (возможно при X 1). Сокращение продолжительности сгорания топлива может быть достигнуто за счёт увеличения диаметра горловины КС, повышения степени сжатия, увеличения количества сопловых отверстий в распылителе при уменьшении интенсивности вихревого движения заряда в цилиндре, а также повышения качества распыливания топлива путем дальнейшего увеличения объёмной скорости топливоподачи и уменьшения пропускной способности распылителя.
В работах [17, 40, 41] авторами сформулирован важный термодинамический принцип организации оптимального дизельного процесса с точки зрения достижения наилучшего соотношения между топливной экономичностью и выбросами NOx, согласно которому необходимо стремиться получить в период сгорания максимальные среднемассовые температуры в цилиндре при минимальной неравномерности температурного поля, т.е. при условии где Г и Тт локальная и среднемассовая температуры; т— масса рабочего тела. Это объясняется следующими теоретическими положениями. Термодинамический КПД дизеля обусловлен уровнем среднемассовых температур, определяемых по уравнению: где ДГ- приращение температуры элементарной массы; ДГт— среднемассовое приращение температуры. Главным фактором, определяющим выход оксидов азота при сгорании, является температура. В силу термической природы главных реакций образования NOx, доказанной Зельдовичем с соавторами [9], константы их скорости подчиняются закону Аррениуса, т.е. где А - коэффициент скорости реакций; Е— энергия активации; R — газовая постоянная; Т температура. В силу экспоненциального характера данной зависимости при неравномерном распределении температур в массе газа справедливо выражение
Формирование рабочих процессов в транспортном дизеле при использовании рециркуляции отработавших газов
Важные параметры характеристики давления впрыскивания - крутизна её переднего и заднего фронтов, максимальное рф „щ и среднее рф ср. давления впрыскивания топлива, а также остаточное давление. Анализ влияния интенсивности нарастания давления впрыскивания в его начальной фазе на рабочий процесс дизеля показывает, что при заданной величине подачи топлива-qT за ПЗВТ целесообразно форсировать первоначальный период подачи (увеличивать рф т.) таким образом, чтобы продолжительность достижения фронтом факела стенки КС была близка к величине ПЗВТ [56]. Чрезмерное увеличение рфт приводит к попаданию топлива на относительно холодные стенки
КС. При уменьшении рф х. длина струи становится меньше расстояния от распылителя до стенки КС и имеет место недоиспользование воздушного заряда» уменьшение локальных значениша; снижение эффективности рабочего процесса, увеличение дымности OF - Кх (рис. 1.10). В работе [57] отмечается, что при объёмном смесеобразовании необходимы мелкое распыление топлива и достаточно большая-глубина проникновения факела в объёме КС с минимальным попаданием капель на стенки КС. Чем меньше размер капель, тем больше в короткое время возникает очагов воспламенения и эффективнее сгорит основная порция топлива.
По мнению авторов [20, 55, 58, 59, 60] интенсификация топливоподачи оказывает существенное влияние на процесс образования горючей смеси и её сгорания в цилиндре дизеля. При увеличении давления впрыскивания распад струи начинается непосредственно у сопловых каналов распылителя форсунки, при этом возрастает объём струй и происходит более полный охват КС. Кроме того, при интенсификации впрыскивания увеличивается скорость топлива в сопловых каналах, скорость распространения струй топлива в КС и их турбулизация. В результате улучшается качество распыливания топлива, уменьшается размер капель, что способствует более равномерному распределению топлива в КС.
Возможность улучшения экологических и топливно-экономических показателей дизелей за счёт оптимизации параметров ТА и характеристики впрыскивания топлива рассматривается в многочисленных работах [61, 62, 63, 64, 65,66, 67]. Показано, что увеличение давления впрыскивания топлива приводит к повышению мелкости распыливания и уменьшению продолжительности впрыскивания. Это в свою очередь является причиной интенсификации и сокращения длительности процесса активного тепловыделения, увеличения индикаторного КПД, а также сопровождается, как правило, снижением интенсивности сажеобразования и увеличением выбросов NOx с ОГ.
В монографии [20] отмечается, что при повышении давления впрыскивания сокращается продолжительность впрыскивания, увеличивается температура и скорость сгорания топлива. Улучшение показателей распыливания топлива сопровождается уменьшением или ликвидацией локальных зон с низкой величиной а, что является источником образования продуктов неполного сгорания топлива. Более высокая температура вызывает рост скорости окислительных процессов. В результате повышение давления впрыскивания приводит к улучшению топливной экономичности и значительному уменьшению выбросов продуктов неполного сгорания топлива. Однако при том же УОВТ с повышением температуры сгорания, как правило, увеличивается выброс NOx Согласно данным фирмы «Mercedes-Benz» [68, 69] увеличение давления впрыскивания путём повышения скорости подачи топлива приводит к значительному снижению выбросов ТЧ (рис. 1.11).
На рис. 1.12 представлены результаты исследований, проведённых в Мюнхенском институте двигателей на дизеле 6ЧН 16.5/18.5 с наддувом и неразделённой КС при работе на режиме полной нагрузки при n = 2000 мин"1 и рк = 0.25 МПа, УОВТ Овпр = 23 ПКВ до ВМТ и вихревым отношением воздушного заряда D = 0.2 [70]. Оптимум по экономичности этого дизеля соот ветствует максимальному давлению впрыскивания Рф max = 160 МПа. Повышение рфтах от 160 до 190 МПа сопровождается ростом удельного эффективного расхода топлива с 215 до 220 г/(кВт-ч). В то же время повышение рф тах в диапазоне 130 - 190 МПа приводит к увеличению концентраций NOx в ОГ с 0Д4 до 0.2 % при некотором снижении дымности ОГ.
Исследование дизеля в комплектации с системой РОГ и опытным турбокомпрессором ТКР 9
Размеры и форма камеры сгорания оказывают непосредственное влияние на процессы смесеобразования и сгорания в дизеле с непосредственным впрыскиванием и определяют его экономические и экологические показатели. Взаимосвязь индикаторного КПД двигателя и удельных потерь теплоты в стенки цилиндра и с ОГ с размерами и формой КС рассматривается в работах В.Р. Гальговского [2, 73, 74, 75]. Установлено, что увеличение относительного диаметра КС d кс = dKC / D (отношение диаметра горловины КС к диаметру цилиндра) сопровождается увеличением потерь теплоты, обусловленных те плоизлучением — g;„ при выгорании факела, и уменьшением потерь теплоты, обусловленных конвекцией - g,K, вследствие уменьшения относительной поверхности теплообмена. Увеличение плотности теплового qR потока при излучении в объёме КС при уменьшении её диаметра активно способствует ускорению процессов смесеобразования и сгорания. Следствием этого является снижение требований к качеству топливоподачи, сокращение продолжительности тепловыделении, уменьшение оптимальных значений степени повышения давления при сгорании, УОВТ, а также снижение выбросов NOx- Однако при уменьшении диаметра камеры сгорания увеличиваются площади «холодных» стенок на плоскости поршня и головке цилиндра вне объёма КС, что ведёт к увеличению выбросов СН и ТЧ с ОГ.
Выполнение всё ужесточающихся нормативов по выбросам ТЧ и СН связано с увеличением относительного диаметра КС. Снижение выбросов NOx в этом случае обеспечивается организацией процессов смесеобразования и сгорания за счёт использования ТА с высокими давлениями впрыскивания [1].
Уменьшение диаметра КС приводит к значительному уменьшению ПЗВТ, максимальной скорости нарастания давления при сгорании и максимального давления в цилиндре вследствие увеличения доли топлива, попадающего на стенки КС [76, 77].
В работах [1, 77] отмечается, что повышенная плотность теплового потока - qR в узкой КС способствует активному испарению капель топлива как в объёме, так н на её стенках, а также высокой интенсификации сгорания в диффузионной области, приводящей к сокращению продолжительности сгорания. В широкой КС, определяющей объёмный принцип смесеобразования, значение q уменьшается, снижается его влияние на испарение топлива. Поэтому для обеспечения качественного смесеобразования требуется (с учётом также увеличения дальнобойности струи) высокая энергия впрыскивания топлива без его попадания на стенки КС. Диффузионный процесс сгорания в этом случае протекает с малой интенсивностью и является причиной увели чения продолжительности активного тепловыделения. Это сопровождается необходимостью более раннего оптимального начала топливоподачи и тепловыделения [78, 79] и препятствует реализации в двигателе высоких частот вращения коленчатого вала. На рис, 1.18 приведены результаты экспериментальных исследований и расчёта изменения величин q , g; и glK в зависимости от относительного диаметра КС, выполненных В.Р. Гальговским.
Уменьшение диаметра КС приводит, в частности, к уменьшению отношения объёма КС к объёму сжатия - VKC/ Vc, что заставляет уменьшать величину надпоршневого зазора и допускаемые отклонения на этот параметр. Возрастают потери, связанные с интенсификацией перетекания заряда при сжатии [54].
Степень сжатия является одним из важных параметров, от величины которой зависят как экологические, так и тошшвно-экономические показатели дизеля. Как известно, степень сжатия влияет на термический КПД цикла, а также параметры рабочего тела в период сжатия, тепловыделения и расширения. При заданной КС и принятой схеме организации рабочего процесса степень сжатия также влияет на длительность ПЗВТ и дозу топлива, поданную за этот период, долю заряда; активно участвующую в смесеобразовании.
В работе [2] отмечается, что при увеличении степени сжатия: активно сокращается время и плотность выделения «белогодыма» на выпуске после холодного пуска двигателя до полного его прекращения. «Белый дым» представляет собой несгоревшую топливно-капельную взвесь, т.е. «чистые» углеводороды; интенсифицируются процессы смесеобразования и тепловыделения, а также сокращается продолжительность сгорания. При этом высокие значения индикаторного КПД достигаются при относительно низких значениях степени повышения давления при сгорании X, что способствует снижению концентраций NOx, СН, СО в ОГ. Однако вследствие увеличения интенсивности крекинга топлива из-за более высоких температур на участке быстрого сгорания может несколько увеличиться дымность ОГ;
Расчётное определение оптимальных конструктивных и регулировочных параметров дизеля с РОГ
Применение РОГ в дизеле с турбонаддувом во всё мполе нагрузочных режимов работы осложнено тем фактом, что среднее давление в выпускном коллекторе перед турбиной — рх на большинстве режимов работы двигателя ниже давления наддува - рк и только в области низких нагрузок давление рт больше давления рк. Сложность обеспечения РОГ на всех режимах работы дизеля с турбонаддувом, а также необходимость сохранения1 на высоком уровне ресурса двигателя при- использовании РОГ привели к появлению большого количества схем РОГ. В целом их можно разделить на несколько типов: высокого давления, низкого давления, внутрицилиндровая и специальные схемы РОГ, в которых используются дополнительные компрессоры для нагнетания РГ.
В системе РОГ низкого давления [89, 96, 97], приведённой на рис. 1.25, РГ отводятся из выпускного коллектора до или после турбины и добавляются к воздушному заряду перед компрессором, при этом РОГ возможна на всех режимах работы двигателя, так как давление РГ всегда больше давления во впускной системе перед компрессором. Реализуемая степень РОГ будет зависеть лишь от гидравлического сопротивления теплообменника РГ и сажевого фильтра (при их наличии). Поэтому система РОГ низкого давления является наиболее простой с точки зрения конструкции. Существенным недостатком данной системы является то, что через компрессор и теплообменник наддувочного воздуха проходит смесь воздуха и РГ [7]. Содержащиеся в ней частицы сажи, пары серной и азотной кислот будут приводить к загрязнению рабочих поверхностей компрессора и ОНВ, а также вызывать их коррозию. В связи с этим детали компрессора и ОНВ необходимо будет изготавливать из высококачественных температурно- и коррозионностойких материалов, а также потребуется использовать сажевый фильтр и теплообменник РГ [81, 89]. Также необходимо применять топливо с малым содержанием серы ( 50 млн1) [7].
В системе РОГ высокого давления [66, 89, 98, 99], приведённой на рис. 1.26, РГ отбираются из выпускного коллектора перед турбиной и добавляются к воздушному заряду уже после компрессора и ОНВ. Использование данной схемы в дизеле с турбонаддувом на режимах высоких нагрузок требует создания положительного перепада Др г между давлением РГ — рРГ (давлением газов перед турбиной) и давлением охлаждённого наддувочного воздуха -рк\
Положительный перепад давлений ДрРОг = РРГ — Рк в дизеле с турбонаддувом для реализации РОГ по схеме высокого давления во всём поле скоростных и нафузочных режимов работы двигателя может быть обеспечен с помощью применения следующих мероприятий [7, 89, 100, 101,102]: установки дросселя перед местом подвода РГ во впускной трубопровод для уменьшения давления наддувочного воздуха; установки дросселя до или после турбины для увеличения давления в выпускной системе; установки сопла Вентури во впускной трубопровод; установки обратного клапана в трубопровод РГ.
В схеме РОГ высокого давления [103] по сравнению ее схемой РОГ низкого давления исключается загрязнение проточных частей компрессора и ОНВ сажей, их коррозия под действием конденсата из паров азотной и серной кислот, которые присутствуют в РГ, а также воздействие высокой температуры смеси воздуха с РГ на колесо компрессора и детали ОНВ [89].
Одним из вариантов системы РОГ высокого давления, который нашел широкое практическое использование в дизелях для легковых автомобилей, является схема РОГ с дросселем во впускном коллекторе [102, 103, 104, 105, 106, 107, 108]. За счёт дросселирования надувочного воздуха (рис. 1.26) обеспечивается положительный перепад давлений Ар г даже в области высоких нагрузок.
В связи с большим расходом воздуха в ТД, по сравнению дизелем для легкового автомобиля, использование в нём дросселирования выхлопных газов на выпуске или наддувочного воздуха на впуске, согласно схеме приведённой на рис. 1.26, будет приводить к значительному ухудшению его топливной экономичности вследствие увеличения работы насосных ходов и уменьшения количества воздуха поступающего в цилиндры двигателя.
Использование сопла Вентури позволяет увеличить положительный перепад давлений АрРОГ за счёт подвода РГ в область горловины сопла, где как раз и обеспечивается наименьшее статическое давление охлаждённого наддувочного воздуха [109, ПО, 111, 112, 113]. Сопло Вентури может располагаться как в главной магистрали впускного коллектора (рис. 1.27), так и в обводном трубопроводе. В первом случае будут иметь место несколько большие потери давления наддувочного воздуха, но зато можно обеспечить равномерное смешивание РГ с наддувочным воздухом при наименьших габаритах двигателя [94, 100].
