Влияние характеристики топливоподачи и настроек топливоподающей аппаратуры на экономические и экологические показатели автомобильного дизеля Хайруллин Азат Хативович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса и обзор научно-технической литературы 12

1.1 Особенности образования вредных веществ в отработавших газах ди-зельных двигателей 12

1.2 Методы повышения технико-экономических и экологических показа-телей дизельных двигателей 16

1.3 Математические модели и программные комплексы моделирования рабочего процесса дизельных двигателей 46

1.4 Выводы по главе. Цель и задачи исследования 54

ГЛАВА 2. Экспериментальный стенд для исследования характеристик дизеля и методика их эксперимен-тального исследования

2.1 Объект исследования 57

2.2 Экспериментальный стенд для исследования характеристик дизеля и его метрологическое обеспечение 62

2.3 Оценка точности экспериментальных исследований параметров ди-зеля 64

ГЛАВА 3. Расчетно-теоретическое исследование

3.1 Настройка математической модели расчета рабочего процесса дизеля и верификация результатов численного исследования 74

3.2 Результаты расчетного исследования развития топливных струй и пристеночных потоков в камере сгорания 91

3.3 Результаты расчетного исследования влияния количества топлива в предварительной (пилотной) порции на показатели дизеля 106

3.4 Расчетное исследование влияния параметров топливоподающей ап паратуры и степени рециркуляции отработавших газов на показатели ди-зеля 112

3.4.1 Результаты расчетного исследования влияния угла начала топливо-подачи и углового интервала между предварительной и основной порци-ями топлива на показатели дизеля 114

3.4.2 Результаты расчетного исследования влияния углового интервала между предварительной и основной порциями топлива и количества топлива в предварительной порции на показатели дизеля 119

3.4.3 Результаты расчетного исследования влияния углового интервала между предварительной и основной порциями топлива и степени рециркуляции отработавших газов на показатели дизеля 124

3.5 Анализ и общение результатов численного исследования 132

ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 135

4.1 Определение технико-экономических и экологических показателей дизеля 135

4.2. Индицирование высокого давления в цилиндре

4.3 Результаты экспериментального исследования влияния регулировоч-ных параметров топливоподающей аппаратуры на показатели дизеля при реализации характеристики топливоподачи с двумя предварительными порциями перед основной (вариант №1) 139

4.4 Результаты экспериментального исследования влияния регулировоч-ных параметров топливоподающей аппаратуры на показатели дизеля при реализации характеристики топливоподачи с одной предварительной и последующей после основной порциями (вариант №2) 159

Основные результаты работы 171

Литература

• Математические модели и программные комплексы моделирования рабочего процесса дизельных двигателей
• Экспериментальный стенд для исследования характеристик дизеля и его метрологическое обеспечение
• Результаты расчетного исследования влияния углового интервала между предварительной и основной порциями топлива и количества топлива в предварительной порции на показатели дизеля
• Результаты экспериментального исследования влияния регулировоч-ных параметров топливоподающей аппаратуры на показатели дизеля при реализации характеристики топливоподачи с двумя предварительными порциями перед основной (вариант №1)

Введение к работе

Актуальность работы. Ужесточение экологического законодательства по выбросам вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) и форсирование дизеля методом газотурбинного наддува (_к > 3,5) заставляет разработчиков двигателей искать новые решения организации эффективного рабочего процесса (РП). Сложность решения данной задачи заключается во множестве факторов, влияющих на протекание внутрикамерных процессов, в частности, автомобильные дизели эксплуатируются в широком диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала (КВ), которые существенно влияют на протекание процессов смесеобразования и сгорания топлива в цилиндре. Применение многоразового впрыска топлива является одним из эффективных средств снижения эмиссии токсичных веществ в дизеле. Организация равномерного распределения топлива в объеме камеры сгорания (КС) способствует увеличению центров самовоспламенения и горения, тем самым снижается неравномерность температурного поля и уменьшается количество высокотемпературных зон в КС.

Важная роль в решении данной проблемы отводится топли-воподающей аппаратуре (ТПА), так как она предопределяет характер протекания процессов смесеобразования и сгорания. Исходя из анализа научно-технической литературы, пришли к выводу, что данный вопрос является недостаточно изученным. Поэтому комплексное расчетно-экспериментальное исследование РП автомобильного дизеля в широком диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения КВ является актуальным.

Диссертационная работа посвящена исследованию влияния характеристики топливоподачи и настройки ТПА на экономические и экологические (выбросы оксидов азота NO_x, несгоревших углево-1

дородов СН и окиси углерода СО с ОГ) показатели дизеля при помощи расчетных и экспериментальных методов.

Цель работы: снижение выбросов NO_x, СН и CO с ОГ при сохранении топливной экономичности путем определения оптимальной характеристики топливоподачи и настроек ТПА.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1) на основе данных, полученных экспериментальным путем,
верифицировать математическую модель расчета РП дизеля (мо
дель сгорания, образования оксидов азота, газообмена, механиче
ских потерь и т.д.) и исследования возможностей повышения его
экономичности и снижения выбросов NO_x с ОГ, позволяющую учи
тывать конструктивные и регулировочные изменения;

1. провести расчетно-теоретическое исследование развития топливных струй (ТС) и их взаимодействия с КС с учетом конструктивных и регулировочных особенностей двигателя в широком диапазоне изменения частоты вращения КВ и нагрузки;

2. выполнить расчетно-теоретическое исследование и провести анализ влияния регулировочных параметров ТПА (угол впрыска топлива (УВТ) основной ф и предварительной ф₁ порций, количества топлива в предварительной и последующей порциях), в том числе совместно с рециркуляцией отработавших газов (РОГ) (с учетом и без учета влияния РОГ на работу турбокомпрессора (ТКР)), на показатели дизеля;

3. на основе анализа результатов численного исследования определить оптимальные значения настроек параметров ТПА и степени РОГ, позволяющих обеспечить рациональное сочетание выбросов NO_x и удельного эффективного расхода топлива g_e, и на основе полученных результатов выдать рекомендации, способствующие повышению показателей двигателя;

4. выполнить экспериментальное исследование влияния регулировочных параметров ТПА на g_e и выбросы NO_x, СН и CO с ОГ при реализации характеристики топливоподачи с двумя предвари-

тельными порциями перед основной в первом случае (вариант №1) и с одной предварительной и последующей после основной порциями во втором случае (вариант № 2), провести анализ экспериментальных данных, определить эффективность исследуемых характеристик впрыска топлива.

Объект исследования: поршневой четырехтактный восьмицилиндровый дизель V8ЧН12,0/13,0, оснащенный газотурбинным наддувом с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха, аккумуляторной ТПА типа «Common Rail» (CR), рабочим объемом iVh = 11,76 л.

Предмет исследования: процессы, протекающие в КС, и выбросы NO_x, СН и CO с ОГ.

Методы исследований: методы математического моделирования процессов в поршневых двигателях, математической статистики, экспериментальное исследование экологических и технико-экономических показателей двигателя на моторном стенде.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

на основе экспериментальных данных верифицирована математическая модель расчета РП дизеля, учитывающая его конструктивные особенности (форму КС, ориентацию каждой ТС, вихревое число и т.д.) и регулировочные параметры (характеристики топливоподачи, настройки ТПА и т.д.);

получены результаты расчетно-теоретического исследования развития ТС и их взаимодействие со стенками КС при различных настройках ТПА в широком диапазоне изменения частоты вращения КВ и нагрузки при различных характеристиках топливоподачи;

исследовано влияние настройки параметров ТПА и РОГ (с учетом влияния на работу ТКР и без) на экономичность дизеля и выбросы NO_x и установлено их оптимальное сочетание, позволяющее одновременно снизить выбросы NO_x при сохранении оптимального значения расхода топлива;

экспериментально установлено влияние двух вариантов характеристик топливоподачи (трех кратных за цикл) при различных настройках параметров ТПА (УВТ (ф), количества топлива в пред-

варительной и последующей порциях) на экономичность и выбросы NO_x, СН и СО с ОГ дизеля и дана их количественная оценка.

Достоверность и обоснованность научных результатов определяются: использованием фундаментальных уравнений термодинамики, теплофизики, гидро- и газодинамики; использованием современных методик и программных комплексов для расчета РП дизеля; согласованием результатов расчета с экспериментальными данными, полученными при натурных испытаниях двигателя для настройки математической модели и проверки ее адекватности.

Реализация результатов. Работа выполнена в рамках государственного контракта с Министерством образования и науки РФ №02.G25.31.0004 от 12.02.2013 г. Полученные результаты расчетно-экспериментального исследования применяются в отделе рабочих процессов дизельных двигателей Научно-технического центра ПАО «КАМАЗ» и используются в учебном процессе в лаборатории МФТП КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева при чтении курса лекций «Тепловые двигатели». Предложенные методы повышения показателей дизеля не требуют внесения конструктивных изменений.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждены на научно-технических семинарах в лаборатории моделирования физико-технических процессов (МФТП) КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева (ведущий ученый д-р физ.-мат. наук, профессор С.А. Исаев, СПбГУГА, г. Санкт-Петербург) и сделаны доклады на следующих конференциях: на VIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена в гидродинамике в энергомашиностроении», 2012 г., Казань, Казанский научный центр РАН; на XVIII Междунар. конгрессе двигателестроителей, 2013 г., Харьков, национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»; на междунар. науч.-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики», 2013 г., Казань, КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева; на междунар. науч.-техн. конф. «Поиск эффективных решений в процессе создания и реализации научных разработок в российской авиационной и ракетно-космической промышленности», 2014 г., Казань, КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева; на междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых «Электротехника. Энергетика. Машиностроение», 2014 г., Новоси-4

бирск, НГТУ; на междунар. науч.-техн. конф. «7-е Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса», 2015 г., Москва, МГТУ «МАДИ»; на всерос. науч.-техн. конф. «Ракетные двигатели и энергетические установки», 2015 г., Казань, КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева; на всерос. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении», 2015 г., Москва, ЦИАМ им. П.И. Баранова (диплом за 2-е место в секции «Силовые и энергетические установки»); на VII Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых «Электротехника. Электротехнология. Энергетика», 2015 г., Новосибирск, НГТУ; на 8-й всерос. конф. молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроение России», 2015 г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана; на 5-й Междунар. конф. «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», 2015 г., Казань, КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева; на 9-й всерос. конф. молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроение России», 2016 г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана

Публикации. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, опубликованы в 16 печатных работах, в том числе, 6 в изданиях, входящих в список рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, выводы и список используемой литературы. Работа изложена на 243 страницах, основной текст на 173 страницах, содержит 91 рисунок и 24 таблицы. Список литературных источников включает 75 наименований (30 из них на иностранном языке).

Автор выражает благодарность за помощь и сотрудничество специалистам отдела рабочих процессов дизельных двигателей подразделения главного конструктора по двигателям НТЦ ПАО «КАМАЗ».

Математические модели и программные комплексы моделирования рабочего процесса дизельных двигателей

Характеристика топливоподачи предопределяет протекание процессов смесеобразования и сгорания, т.е. определяет технико-экономические и экологические показатели. По форме характеристики кривой топливоподачи выделяют следующие характеристики: трапециидальный, прямоуголный, треугольный и двухступенчатое впрыскивание. Основными критериями выбора формы характеристики топливоподачи являются: требования по энергетическим и эко логическим показателям, скоростной и нагрузочный режим работы двигателя. Рассматриваемые характеристики реализуются с различной крутизной переднего и заднего фронтов, в зависимости от режима работы двигателя. За счет применения современной ТПА с электронным управлением имеется возможность реализации различных законов топливоподачи на всех скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя с pвпр_max порядка 20002500 бар.

Известно, что условия протекания процесса горения ТВС в цилиндре с многостадийной характеристикой топливоподачи по сравнению со сгоранием при однократном впрыскивании существенно отличаются. При реализации многократной характеристики ПЗВТ первой порции зависит от температуры и концентрации реагентов, для последующих порций топлива добавляется еще два фактора, это несгоревшие пары топлива и продукты сгорания предыдущих порций, таким образом, процесс тепловыделения при сгорании первой и последующих порций топлива протекает с разным физико-химическим механизмом. Исходя из этого, необходимо обеспечить воспламенение предварительной порции до начала воспламенения основной, т.к. за ПЗВТ может накопиться большое количество горючей смеси, что приведет к увеличению скорости нарастания давления, и следовательно, шума процесса сгорания [7]. Таким образом, для каждого значения количества топлива в предварительной порции соответствует оптимальное значения угла начала топливоподачи и временной интервал между порциями. При увеличении временного интервала впрыскивания между предварительной и основной порциями топлива при реализации двухкратной характеристики топливоподачи, продукты сгорания предварительной порции успевают перераспределится в объеме КС, что является положительным фактором с точки зрения снижения неравномерности температурного поля. При малых значениях временного интервала между порциями, когда основная порция топлива поступает в продукты сгорания первой порции или обогащенную смесь, температура газов в цилиндре не успевает заметно повыситься и в большей степени на процесс сгорания влияет нехватка кислорода. В результате это приводит к увеличению ПЗВТ и скорость нарастания давления становится примерно такой же, как при однократном впрыскивании. Если снижение температуры в цилиндре оказывается более существенным, чем при снижении концентрации кислорода, то ПЗВТ сокращается, что приводит к уменьшению скорости нарастания давления и шума процесса сгорания.

Одним из эффективных и активно развивающихся способов снижения выбросов NOx в настоящее время является PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) процесс. Особенностью данного процесса является подача одной или нескольких порций топлива задолго до прихода поршня в ВМТ. При организации PCCI процесса особое внимание уделяют количеству предварительных порций, углу начала топливоподачи и временных интервалов между порциями, с целью предотвращения попадания топлива на поверхности ГБЦ, зеркало гильзы и поршня, т.к. в момент подачи топлива с большим опережением в цилиндре еще достаточно низкое давление воздушной среды и ТС беспрепятственно могут достичь холодных поверхностей деталей.

В работе [30] представлены результаты исследования влияния количества топлива и угла подачи предварительной и основной порций топлива на дизеле 4ЧН 8,3/9,2 оснащенного ТПА CR и имеющий =17,3 на режиме n=1400 мин-1, pe=4 бар. Авторы работы предполагали, что приближение момента подачи предварительной порции к ВМТ позволит избежать попадания топлива на поверхность зеркала гильзы и повысить температуру газов в момент подачи основной порции топлива. Установлено, что оптимальное значение угла подачи предварительной порции топлива 600 до ВМТ, при снижении угла ниже 500 существенно возрастают выбросы NOx и PM и ge, рис. 1.10а. Далее, при фиксированном значении угла подачи предварительной порции 600 до ВМТ, проводились исследования при изменении угла подачи основной порции, рис. 1.9. Анализ полученных результатов установил, что оптимальные значения углов подачи предварительной и основной порций топлива составляет 600 до ВМТ и 50 после ВМТ соответственно (без перераспределения количества топлива между порциями). Уменьшение угла подачи основной порции до 5 после ВМТ привело к снижению эмиссии NOx с 11,5 до 4 г/(кВт-ч), но при этом выбросы РМ не увеличились, а значение ge увеличилось на 10 г/(кВт-ч). Также, в работе представлены кинограммы полученные на специальной одноцилиндровой установке с кварцевыми окнами, анализ которых позволил установить причину снижения эмиссии NOx на 65% и сохранения выбросов РМ на том же уровне. Изображения пламени при фиксированном угле топливоподачи предварительной порции 60 до ВМТ и различных углах подачи основной порции представлены на рис. 1.10. Следует отметить, что при подачи основной порции за 5 до ВМТ диффузионная фаза сгорания выражена очень ярко (характерно для дизелей с традиционной организацией РП), но при смещении подачи топлива за ВМТ обеспечивается более равномерное распределение топлива в объеме КС.

Экспериментальный стенд для исследования характеристик дизеля и его метрологическое обеспечение

На основании результатов многочисленных экспериментов установлено, что ТС начинает разрушаться в момент выхода из отверстия распылителя. В процессе развития передний фронт ТС начинает деформироваться в связи с сопротивлением окружающей среды, а новые порции топлива быстро достигают головную часть струю, при этом раздвигая и уплотняя ранее сформированный поток. Граница между начальной и основной стадиями развития струи соответствует моменту, когда осевой поток начинает деформироваться и образуется передний фронт грибковый формы.

Достигнув поверхности, струя растекается во все стороны и может попасть в зазор между поршнем и ГБЦ, тем самым часть топлива может попасть на поверхность ГБЦ и зеркало гильзы. Расчет траектории струи, угол и время соударения со стенкой проводится с учетом воздушного вихря. Процесс взаимодействия и растекания ТС достаточно сложный. Н.Ф. Разлейцивым разработана методика расчета данного процесса: - при попадании переднего фронта струи на стенку формируется конусообразный уплотненный топливо-газовый слой в границах пятна, образованного пересечением конуса струи с поверхностью стенки; - после угладки топливо начинает растекаться, а осевой поток струи уплотняет пристеночный слой, тем самым расширяя границы пятна; - форма пятна и скорость растекания по поверхности зависит от вихревого движения воздушного заряда и угла встречи струи и поверхности.

Скорость сгорания лимитируется скоростью испарения в процессе топли-воподачи и развития ТС. Зоной с активным теплообменом и испарением в свободно развивающейся струе является передний фронт и оболочка струи, испарением в плотном осевом ядре можно пренебречь. В процессе топливоподачи в высокофорсированных двигателях на режимах высокой мощности большая часть топлива попадает на боковую поверхность КС, что существенно снижает скорость испарения топлива из-за низкой температуры поверхности и обдувае-мости воздушным зарядом. Расчет скорости испарения топлива основан на работах Д.Н. Вырубова, с учетом допущений: - в период топливоподачи максимальная скорость испарения имеет место в следующих зонах: в ПП, разреженной оболочке и во фронте струи; - скорость испарения в каждой зоне равна сумме скоростей испарения отдельных капель; - скорость испарения капли до и после воспламенения рассчитывается по уравнению Б.И. Срезневского. - расчет испарения ведется для оболочки струи, переднего фронта и пристеночных зон.

Расчет образования оксидов азота ведется по детальному кинематическому механизму. Особенность данного способа является то, что сгорание сложных углеводородов проходит в две стадии: распад тяжелой молекулы углеводорода на молекулы с меньшим числом атомов и радикалы с последующим догоранием частиц с одним – двумя атомами углерода. Кинетика распада сложных углеводородов включает 40 реакций с 10-ю компонентами. Принято, что при сгорании любого тяжелого углеводорода на второй стадии участвуют одинаковые вещества. В связи с этим на стадии догорания используется детальный кинематический механизм сгорания метана по схеме разработанной В.Я. Басеви-чем. Схема включает в себя 199 реакций и определяет концентрацию 33-х компонентов. Расчет образования сажи идет по методике разработанной Н.Ф. Разлейце-вым и далее улучшенной А.С. Кулешовым, в которой идет учет влияния процесса горения на образование и выгорание сажевых частиц. Принято, что сажевые частицы образуются преимущественно двумя путями: - в результате цепного деструктивного превращения молекул топлива, диффундирующих от поверхности капель к фронту пламени; -вследствие высокотемпературной термической полимеризации и дегидрогенизации парожидкостного ядра испаряющихся капель. Расчет выбросов твердых частиц РМ идет по эмпирическим формулам Ал-кидаса или фирмы Cummins.

Решение задачи совершенствование РП не может быть решена в однофак-торном эксперименте, т.к. является достаточно сложной и требует многопара-метровой оптимизации с учетом всех возможных факторов. Задача оптимизации сводится к поиску эксремума целевой функции от вектора независимых переменных при наличии ограничений (метод штрафных функций). В качестве целевой функции могут быть выбраны такие параметры, как: удельный эффективный расход ge, эффективный крутящий момент Me, эмиссия вредных веществ и т.д. Независимые переменные: степень сжатия, угол подачи топлива, количество топлива в порциях при реализации много- стадийного впрыска, степень РОГ, фазы газораспределения и т.д. Для ограничения пространства поиска оптимума задаются ограничения (значения которых не должно быть превышено), например максимальное давление газов в цилиндре pz, температура ОГ перед турбиной ТТ1, ВВВ с ОГ и т.д. При превышении ограничений к целевой функции прибавляется штрафная величина, тем больше чем больше превышение ограничения. В программном комплексе ДИЗЕЛЬ-РК реализованы следующие группы алгоритмов поиска оптимума: методы нулевого порядка, методы первого порядка и метод случайного поиска (метод Монте-Карло).

По результатам проведенного анализа возможностей программных продуктов для моделирования процессов в ДВС, с учетом задач и целей диссертационного исследования для проведения расчетно-исследовательских работ выбран программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК (МГТУ им. Н.Э. Баумана) и приобретена коммерческая лицензия на данный продукт. Следует отметить, программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК прошел проверку и применяется, как на отечественных, так и на зарубежных предприятиях и в научно-исследовательских центрах [67].

Результаты расчетного исследования влияния углового интервала между предварительной и основной порциями топлива и количества топлива в предварительной порции на показатели дизеля

Известно, что для достижения высоких показателей по топливной экономичности и экологичности необходимо эффективно реализовать процесс смесеобразования с целью своевременного начала процесса сгорания и полного сгорания топлива. Для этого, необходимо реализовать РП таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение топлива в КС, наличие максимально возможного количества топлива в зонах с наилучшими условиями испарения (в разреженной оболочке струи), исключение возможности попадания топлива в зоны пересечения соседних ТС и на относительно холодные стенки КС (зеркало гильзы и ГБЦ).

Повышение литровой мощности дизеля приводит к увеличению цикловой подачи топлива qц, что в свою очередь усложняет решение задачи организации экономичного и низкоэмиссионного РП. В автомобильных дизелях в процессе развития ТС происходит их перекрытие, что приводит к увеличению топлива в зонах с неблагоприятными условиями для испарения, что в свою очередь приводит к увеличению продолжительности процесса тепловыделения. При попадании топлива на поверхность КС ТС развиваются, как в радиальном, так и в тангенциальном направлениях. Интенсивное развитие ТС в радиальном направлении может привести к забросу топлива в надпорш-невой зазор с последующим попаданием топлива на холодные поверхности. Задача повышения качества процесса смесеобразования и сгорания в КС дизеля решается комплексно, за счет совместного согласования: формы КС с ориентацией сопловых отверстий распылителя, вихревым числом (или момента вихря генерируемый впускным каналам) и законом топливоподачи.

Свободное развитие ТС и время, отводимое на процесс испарения топлива после окончания процесса топливоподачи оказывает существенное влияние на показатели дизеля. В связи с этим, процессы развития ТС и ПП, распределения топлива в КС и взаимодействие их с поверхностями образующих

КС играют основную роль. Поэтому достижение высоких технико-экономических и экологических показателей без исследования данного процесса невозможно.

Численное исследование развития ТС и распределения топлива в КС проводилось на режимах цикла ESC и при работе дизеля по ВСХ, в связи с тем, что охватывают весь частотный и нагрузочный диапазон работы исследуемого дизеля в эксплуатации. Результаты численных исследований позволяют определить резервы совершенствования РП двигателя и определить концепцию дальнейшего повышения его технико-экономических и экологических показателей.

На основе выше сказанного, при стандартных настройках параметров ТПА (количество топлива в предварительной порции, начала процесса топ-ливоподачи и временной интервал между предварительной порцией и основной), поставлены следующие задачи: - оценка развития и взаимодействия ТС с поверхностью КС; - оценка развития ПП. Результаты расчета процесса тепловыделения и развитие ТС (процесс окончания) при работе дизеля на режимах цикла ESC и по ВСХ представлены на рис. 3.19 и 3.20 соответственно. На рис. 3.21 представлены моменты соответствующие периодам окончания подачи предварительной (пилотной) порции топлива, начала взаимодействия всех ТС с поверхностью КС и окончания процесса топливоподачи, кадры а, б и с соответственно. На основе проведенного анализа следует отметить, что в момент достижения ТС №3 и 4 поверхности КС, происходит развитие струй №2 и 5 и активно проходит процесс укладки ПП образованных от ТС №1, 6 и 7 (они имеют минимальную свободную длину), т.к. не достаточно объема для свободного развития в сравнении со струями №2 и 5 и тем более в сравнении со струями №3 и 4. Результаты, расчета кривых зависимостей распределения суммарной доли топлива в характерных зонах для всех 7-ми струй по углу поворота КВ на режимах ВСХ при n=900; 1300 и 1900 мин-1 представлены на рис. 3.22.; 3.23. и 3.24. Анализ кривых показал, что: - максимальное значение в зонах перекрытия ПП достигается к моменту окончания процесса топливоподачи; - суммарное количество топлива в разреженной оболочке не превышает 68,5%; - количество топлива попадающего на поверхность зеркала гильзы и ГБЦ несущественно.

Результаты экспериментального исследования влияния регулировоч-ных параметров топливоподающей аппаратуры на показатели дизеля при реализации характеристики топливоподачи с двумя предварительными порциями перед основной (вариант №1)

Анализом экспериментальных данных подтверждена эффективность реализации характеристики топливоподачи вариант №1 по сравнению с показателями дизеля при стандартных настройках ТПА. Установлено, что увеличение количества топлива в порции q2 ( =const) при n=1250; 1500 и 1750 мин при реализации характеристики впрыска топлива №1 приводит к: - увеличению ge и выбросов NOx до 46% на всех скоростных режимах при 25 и 50% нагрузках, а при нагрузках 75 и 100% к снижению выбросов NOx до 10%; - снижению выбросов СН в зависимости от нагрузки на (68; 1534; 1317)%; - увеличению выбросов СО на (43; 18; 9)% при малых нагрузках 25 и 50%, а при 75 и 100% к снижению на (824; 411; 917)%.

Полученный эффект снижения ge и NOx в области средних и высоких нагрузок 75 и 100% объясняется, тем, что увеличение q2 при 75 и 100% на всех скоростных режимах способствует снижению термодинамической температуры в цилиндре Tz и температуры в зоне сгорания Tburn на 56%, что в результате приводит к снижению скорости образования термических оксидов азота NOx, окисления углерода СО и выгорания СН, поэтому с увеличением нагрузки эффективность снижения СО и СН снижается. На исследуемых скоростных режимах при 25% нагрузке применение дополнительной порции /2 не приводит к увеличению топливной эффективности и выбросов NOx, а при 50% нагрузке снижению выбросы NOx до 0,7 г/(кВтч), но при соответственном увеличении ge до 1,5 г/(кВтч). Анализ результатов численных экспериментов показал, что на данных режимах тепловой эффект от сгорания порции q2 не существенный. Численным путем установлено, что применение дополнительной порции топлива приводит к перераспределению топлива в КС и тем самым способствует увеличению количества топлива в оболочке аo и снижению в зонах ПП across, этим и объясняется существенное снижение выбросов СН. -1 1

Например, при увеличении q с 2 до 13% на режиме n=1250 мин 00% нагрузке при (р=3 значение аo увеличивается с 66 до 79% (16,4%), а 7cross снижается с 29 до 23%. При увеличении частоты вращения КВ с n=1250 до -1 n=1750 мин эффект снижения СН уменьшается, из-за сокращения времени затрачиваемого на процессы смесеобразования и сгорания на 28%.

Результаты исследования влияния (р показали, что увеличение (р способствует активации образования NOx и снижению СН и СО. В частности, увеличение (р приводит к снижению давления и температуры ОГ перед турбиной, что в свою очередь приводит к изменению режима работы ТКР (снижению расхода воздуха через двигатель). В связи с этим, на режимах n=1250 мин при 75 и 100% нагрузках коэффициент избытка воздуха в цилиндре снижается до 1,35 и по этой причине при увеличении (р с 0 до 3 отмечен рост выбросов СН и СО до 8% .

Экспериментальные результаты показали, что при реализации характеристики впрыска вариант №1 и подборе значений q2 и (р имеется возможность определенной оптимизации показателей двигателя, например, по выбросам NOx, СН и СО, при сохранении топливной экономичности, в частности, на режиме n=1250 мин нагрузка 75% при q= и (р=3 выбросы снижаются на (13,5; 70 и 33)% соответственно в сравнении с показателями дизеля при стандартных настройках ТПА.

Можно предположить, что внедрение дополнительной порции q2 способствует увеличению равномерности распределения топлива в цилиндре в процессе сгорания и в результате приводящее к уменьшению высокотемпературных центров горения, а, следовательно, и снижению активности образования NOx, СН и СО.

Воспламенение и сгорание топлива поданного перед основной порцией приводит к уменьшению ПЗВТ основной порции за счет повышения температуры газа в цилиндре в момент подачи основной порции, что в свою очередь приводит к быстрому испарению топлива основной порции и более эффективному сгоранию.

Целью данного исследования является оценка влияния регулировочных параметров ТПА (количество топлива во второй (после основной) предварительной порции q2 при варьировании значением угла начала топливоподачи в цилиндр ф) на показатели дизеля при реализации характеристики рис. 4.10.

Вычисление угла начала подачи первой предварительной порции ср1 проводилось в следующей последовательности: - по топливной карте калибровки определяется время запитки электромагнита форсунки для подачи необходимого количества топлива q, q1 и q2 в основной, предварительной и последующей порциях топлива; - по зависимости «время запитки - время топливоподачи» определяется продолжительность топливоподачи каждой порции топлива 1, и 2; - по карте топливных задержек между порциями определяются установленные временные интервалы между предварительной и основной порциями 1 и основной и последующей порциями 2; - по карте углов топливоподачи основной порции определяется угол начала топливоподачи основной порции топлива до либо после ВМТ (вычисляется временной промежуток); - вычисляется угол начала топливоподачи предварительной порции по следующей формуле: д)1=т1+Х1+(р (угол (р в данном случае пересчитан в мкс).