Образование смеси в дизельных двигателях

Образование смеси в дизельных двигателях

Отличительной особенностью дизельных дви­гателей является отсутствие внешних источ­ников зажигания. Исключение необходимости в них достигается за счет впрыска способного к воспламенению топлива в сильно сжатый и, следовательно, горячий воздух. Высокие конечные значения давлений и температур, свыше 600 °С и 100 бар на двигателях с турбо­наддувом обеспечивают чрезвычайно ровную работу двигателя. Образование смеси в дизельных двигателях, испарение, смешивание и последующее сгорание топлива могут происходить в течение очень короткого периода времени.

 

 

Образование смеси в дизельных двигателях

 

Распространение струи топлива и смесеобразование в дизельных двигателяхПроцесс смесеобразования в основном опре­деляется взаимодействием впрыскиваемой струи топлива с полем воздушного потока в камере сгорания. Здесь проблема заключа­ется в быстром впрыске и приготовлении от­носительно больших масс топлива, до 200 мг на литр рабочего объема. Типичная продол­жительность впрыска составляет около 1 мс. Термин, используемый в отношении массо­вого расхода топлива, поступающего в камеру сгорания, — скорость впрыска (единица измерения: кг/с). Впрыск топлива, как правило, осуществляется форсунками с несколькими отверстиями.

Обычно используется комбинация отвер­стий диаметром от 120 до 150 мкм. Быстрому впрыску топлива и смесеобразованию способ­ствуют малый диаметр отверстий и высокое давление впрыска, достигающее 2000 бар.

Вначале диаметр струи топлива равен диа­метру отверстия. Однако, пройдя несколько миллиметров, струя распадается на отдель­ные капли, которые взаимодействуют с полем потока. Жидкая фаза струи топлива, в зави­симости от плотности рабочей среды, может проникать в камеру сгорания на несколько сантиметров, прежде чем она будет полностью атомизирована или испарится (см. рис.14 «Распространение струи топлива и смесеобразование в дизельных двигателях»).

Образованию капель топлива и его ис­парению способствует турбулентность. В со­временных дизельных двигателях более 80% турбулентности в области образования струи топлива генерируется за счет впрыска топлива. Развитию турбулентности способствует движе­ние заряда топлива, причем на дизельных дви­гателях с плоской головкой блока цилиндров преобладают горизонтальные завихрения. До­полнительный вклад могут вносить воздушные потоки, вызываемые сжатием, и направлен­ные от наружной области камеры сгорания к внутренней (“потоки сжатия”) или такая кон­струкция камеры сгорания, в которой, напри­мер, контакт с горячей областью углубления в поршне, способствующий испарению.

Системы прямого впрыска топлива за несколько последних десятилетий продемонстрировали свои преимущества по сравнению с системами непрямого впрыска, такими как системы с вих­ревой камерой или форкамерой. В системах с непрямым впрыском топлива подготовка то­плива в основном осуществляется за счет фор­мирования локального потока в предкамере.

Процесс сгорания в дизельных двигателях Процесс сгорания в дизельных двигателях 2

Процесс сгорания в дизельных двигателях

 

Процесс сгорания топлива в дизельном дви­гателе отличается от процесса в двигателе с искровым зажиганием степенью сжатия и за­жиганием. В целом процесс сгорания топлива в дизельном двигателе можно описать как три последовательных процесса: задержка зажи­гания: сгорание предварительно приготовлен­ной смеси и сгорание с контролем смесеобра­зования. В зависимости от рабочего состояния и диапазона эти процессы имеют различные временные составляющие (см. рис. 16 «Сгорание топлива в дизельном двигателе»).

Сгорание топлива в дизельном двигателеЗадержка зажигания относится к периоду времени между началом впрыска топлива и началом фактического процесса сгорания. В основном она определяется температурой в цилиндре, давлением в цилиндре и воспламе­няемостью топлива. На стадии задержки за­жигания проходят процессы смесеобразова­ния и первых, предварительных химических реакций топливовоздушной смеси. Задержка зажигания увеличивается, когда двигатель не прогрет или при использовании топлива пло­хого качества с низким цетановым числом.

 

Влияние давления в цилиндре менее значи­тельно, по сравнению с влиянием темпера­туры. Однако, увеличение давления также несколько снижает величину задержки за­жигания. Топливо, впрыснутое в течение за­держки зажигания, пока что не сгорает. Вели­чина задержки зажигания может составлять от 0,1 мс при работе двигателя в диапазоне номинальной выходной мощности до более 10 мс после пуска холодного двигателя.

Продолжительность задержки зажигания определяет процесс сгорания предвари­тельно приготовленной смеси. Чем продолжительнее задержка зажигания, тем больше топлива смешивается в воспламеняемой форме. Эта масса топлива может превышать 20 мг на один литр рабочего объема. Горе­ние, как правило, начинается на краю струи топлива, где топливо очень хорошо переме­шано с воздухом, и, следовательно, имеют место оптимальные для горения условия в отношении температуры и λ. В резуль­тате экзотермической реакции происходит местное повышение температуры до более чем 2300 К, которое быстро инициирует за­жигание еще несгоревшего, предварительно смешанного с воздухом топлива. При этом скорость горения определяется происходя­щими химическими реакциями. Самоускоряющаяся цепная реакция вызывает чрезвы­чайно быстрое сгорание топлива с высокими градиентами возрастания давления. По этой причине масса предварительно смешанного, преобразованного топлива на дизельных двигателях должна быть как можно меньше. Это обычно достигается путем предваритель­ного впрыска топлива, локальное сгорание которого вызывает начальное повышение температуры, снижающее эффект задержки зажигания топлива на стадии последующего основного впрыска.

Количество предварительно смешанного топлива может составлять от менее 1 % в диапазоне полной нагрузки до 100 % в диапазоне минимальной нагрузки. Остальное топливо сгорает в режиме контроля смеси. В отличие от сгорания предварительно смешанного топлива, во время сгорания в режиме контроля смеси, также называе­мого диффузионным сгоранием, скорость преобразования топлива определяется про­цессом переноса кислорода в зону горения. При этом трудно разделить зоны сгоревшего и несгоревшего топлива, поскольку четко определенный фронт пламени отсутствует. В основном диффузионное пламя устанав­ливается на краю струи, в ограниченном диапазоне, при 0,8 < λ < 1,4. При изменении граничных условий (например, условий даль­нейшего испарения топлива, переноса кисло­рода, контакта со стенками цилиндра) зона реакции также сдвигается в ту сторону, где преобладают локальные стехиометрические условия (см. рис. 17 «Процесс сгорания в режиме котнтроля смеси)

Процесс сгорания в режиме котнтроля смеси

Сгорание в режиме контроля смеси преоб­ладает в диапазоне высоких нагрузок, когда имеет место впрыск большого количества топлива. Здесь процессы смесеобразования и сгорания протекают параллельно. Так же как при сгорании предварительно смешан­ного топлива, на скорость преобразования может оказывать влияние процесс впрыска. Меньшее, однако также ускоряющее влияние оказывают повышение температуры и давления, а также снижение содержания инертных газов. Доминирующими факторами явля­ются смесеобразование и перенос кислорода в зону горения за счет высокой локальной турбулентности.

По этой причине интенсивность турбу­лентности является определяющей пере­менной величиной в процессах сгорания топлива в дизельных двигателях. Турбу­лентность способствует созданию высоких давлений впрыска с высокой кинетической энергией струи топлива, которая в дальней­шем преобразуется в турбулентную кинети­ческую энергию. Локальная турбулентность вызывает быстрый перенос кислорода в ло­кальные зоны реакций. Это явление также поддерживается движением заряда топлива в цилиндре (горизонтальные завихрения, потоки сжатия), однако основной вклад осуществляется импульсом впрыскиваемой струи топлива. Так же как повышение давле­ния впрыска, можно рассмотреть целесоо­бразность увеличения диаметра отверстий. Однако увеличение скорости впрыска при­водит в основном к локальному переобогащению смеси, что отрицательно влияет на преобразование топлива.



Характеристики сгорания топлива в дизельных двигателях

 

Холодный пуск дизельных двигателей пред­ставляет собой особую проблему, в особен­ности при температурах наружного воздуха ниже -10 °С. При частоте проворота двигателя стартером менее 100 мин-1 большая часть за­ряда топлива просачивается через поршневые кольца вовремя относительно медленной фазы сжатия. Кроме того, низкая температура в цилиндре увеличивает тепловые потери че­рез стенки. Результатом являются низкие пи­ковые давления (ниже 30 бар) и, в зависимо­сти от температуры наружного воздуха, низкие пиковые температуры (ниже 400 °С).

Испарение топлива в положении верх­ней мертвой точки вызывает дальнейшее охлаждение. Это приводит к очень большим задержкам зажигания. В крайних случаях зажигание вообще может отсутствовать, и топливо может накапливаться в цилиндре на протяжении нескольких рабочих ци­клов. Его зажигание после нескольких ра­бочих циклов, вследствие большой массы накопленного топлива, может приводить к созданию очень больших пиковых давлений свыше 150 бар.

Поскольку фаза холодного пуска не обе­спечивает времени, достаточного для над­лежащего гидродинамического образования пленки смазочного масла в опорных точках коленчатого вала, это оказывает негативное влияние на механические системы двига­теля. Отсюда следует, что облегчить процесс холодного пуска могут такие меры, как по­догрев поступающего в двигатель воздуха, смазочного масла или охлаждающей жидко­сти. Последнее, так же как повышение тем­пературы в камере сгорания, снижает трение в двигателе, что дает увеличение скорости проворота двигателя стартером.

С еще одним явлением приходится стал­киваться во время работы при очень высо­ких температурах наружного воздуха или на высоте более 1000 м над уровнем моря. Поскольку воздух имеет более низкую плот­ность, масса находящегося в цилиндре воздуха уменьшается. Вначале это не оказывает существенного влияния на процесс сгорания топлива. Однако, уменьшение количества избыточного воздуха вызывает повышение температуры отработавших газов.

Это явление также имеет место на двигате­лях с турбонаддувом. Поэтому необходимой мерой, прежде всего при работе на большой высоте, может быть снижение нагрузки.

По истечении периода приработки на ди­зельных двигателях наблюдается падение мощности порядка 1-3%. Причина этого заключается в системе впрыска топлива. Отложения нагара в топливных форсунках вызывают некоторое уменьшение диаметра отверстий форсунок, что приводит к сниже­нию массового расхода и, следовательно, к потере мощности. Эти отложения могут быть вызваны, например, высоким содержанием в дизельном топливе меди, цинка или иных загрязняющих веществ.

Образование токсичных продуктов и снижение содержания токсичных продуктов в выбросах дизельных двигателей

В отличие от двигателей с искровым зажига­нием, оборудуемых каталитическими нейтра­лизаторами отработавших газов, работаю­щими при λ = 1, значительно снижающими количество выбросов, в отношении дизель­ных двигателей значительно большее значе­ние имеет снижение образования токсичных продуктов в самом двигателе. Кроме продук­тов горения топлива, присущих двигателям с искровым зажиганием, таким как СO2, Н2O, NOx, НС и СО, следует также учитывать вы­бросы сажи и твердых частиц.

Выбросы NO и сажиДля снижения содержания оксидов азота в выбросах полезны меры, направленные на снижение температуры сгорания топлива. Это может быть сделано посредством сниже­ния концентрации кислорода в зоне горения. Температуру горения топлива также можно очень легко снизить, сдвинув момент зажи­гания в сторону запаздывания или снизив давление впрыска топлива.

Снижение давления впрыска топлива или концентрации кислорода, как правило, вы­зывает увеличение содержания в выбросах сажи. Образование сажи является сложным процессом, зависящим как от гидродинами­ческих, так и термодинамических граничных условий. Вначале значительное количество сажи образуется в зонах локального обогаще­ния смеси (λ < 1), однако в ходе последую­щих процессов сгорания топлива количество сажи уменьшается более чем на 70% за счет процессов окисления. Очень большое значе­ние имеет высокий уровень турбулентности, способствующий окислению сажи на стадии расширения. Однако, важную роль играет также уровень температуры. В целом на про­цесс образования сажи оказывают влияние локальные взаимодействия между струей впрыскиваемого топлива, зоной горения, не­сгоревшей смесью, геометрией поршня и протеканием процесса сгорания топлива.

Содержание в выбросах оксидов азота снижают меры, направленные на снижение температуры, такие как рециркуляция отработавших газов, процессы Миллера (см. [2]) или частичная гомогенизация. Все это с избытком компенсирует наблюдаемое при этом увеличение содержания сажи (см. рис.18 «Выбросы NO и сажи»). Уровень сложности и затрат, необ­ходимых для снижения содержания обоих этих компонентов, весьма высок. В настоя­щее время все более широко применяется рециркуляция отработавших газов, для сни­жения содержания оксидов азота в сочета­нии с очень высокими давлениями впрыска (> 2000 бар).

В этом контексте следует различать вы­бросы сажи и выбросы твердых частиц. Сажа состоит из чистого углерода, в то время как твердые частицы также содержат капельки топлива или масла, частицы металла, про­дукты коррозии и сульфаты.

Соединения НС и СО обычно не имеют большого значения в отношении выбросов дизельных двигателей. Тем не менее, следует учитывать влияние на выбросы твердых ча­стиц углеводородов. В частности, происходит увеличение концентрации НС и СО в случае значительного сдвига момента зажигания в сторону запаздывания, сопровождаемого неполным сгоранием топлива.



Смешанные формы и альтернативные стратегии управления

 

Классическая стратегия управления дизель­ным двигателем характеризуется одним или более впрысками топлива в диапазоне ВМТ. Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием характеризуются гомогенным или частично гомогенным (по­слойным) смесеобразованием. В настоящее время разрабатываются альтернативные формы управления процессами, которые не могут быть однозначно связаны только с бензиновыми или только дизельными дви­гателями.

Воспламенение от сжатия гомогенного заряда топлива в дизельных двигателях

Что касается процессов HCCI (воспламенение от сжатия гомогенного заряда топлива), ко­торым был посвящен ряд публикаций (напри­мер, [3]), целью является, посредством значи­тельного опережения момента впрыска (как минимум 40-50° угол поворота коленчатого вала до ВМТ) достичь гомогенизации, значи­тельного обеднения смеси и, следовательно, снижения содержания NO* в выбросах. При этом надежное зажигание, тем не менее, бу­дет иметь место, благодаря высокой темпе­ратуре сжатия. В целях обеспечения контроля процесса сгорания степень сжатия должна быть снижена до 14-16. Для повышения тем­пературы в цилиндре при низких нагрузках обычно используется рециркуляция отрабо­тавших газов. Тем не менее, получить опти­мальные условия во всем диапазоне условий, в особенности в диапазоне высоких нагрузок достаточно трудно, поскольку при этом становятся очень высокими градиенты возрас­тания давления, и управление работой двига­теля в переходных режимах становится очень сложной задачей ввиду большого количества всех возможных состояний двигателя.

Воспламенение от сжатия в двигателях с искровым зажиганием

Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием были исследованы в отношении возможности использования ре­жима HCCI, аналогично дизельным двигате­лям, с целью достижения недросселированного обеднения смеси в диапазоне частичных нагрузок, что дает снижение расхода топлива по сравнению с двигателями, работающими в обычном стехиометрическом режиме. Не­достатки работы на обедненной смеси в отношении процессов преобразования в каталитическом нейтрализаторе компенси­руются чрезвычайно низким содержанием необработанных оксидов азота NOx, благо­даря обеднению смеси. Надежное зажигание трудновоспламеняемой смеси достигается за счет высокой степени сжатия — свыше 13. Оптимальная степень сжатия является пере­менной величиной и может быть снижена за счет повышения температуры в камеры сгорания.

Двигатели с искровым зажиганием с послойным распределением заряда топлива

Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием с прямым впрыском топлива и послойным распределением за­ряда топлива имеют много общего с про­цессами в дизельных двигателях и, следо­вательно, представляют собой смешанную форму процессов, имеющих место в обыч­ных двигателях с искровым зажиганием и дизельных двигателях. Процессы сгорания топлива этого типа находят все более широ­кое применение, благодаря их более высо­кой эффективности в диапазоне частичных нагрузок, достигаемой за счет исключения дросселирования.

Многотопливные двигатели

Многотопливные двигатели, характеризую­щиеся возможностью использования раз­личных видов топлива, в настоящее время не играют важной роли в связи с невозможно­стью выполнения требований в отношении содержания вредных продуктов в отработавших газах.

В следующей статье я расскажу о системах управления бензиновым двигателем.

Список литературы:

[1] Oertel, И.; Bohle, М.; Dohrmann, U.: Stro- mungsmechanik. 5th Ed.,Vieweg+Teubner, 2008.

[2] Basshuysen, R.; Schafer, F. (редакторы): Hnbuch Verbrennungsmotor, 4th Ed., Vieweg+Teubner, 2007.

[3] Boulouchos, K.: Strategies for Future Com­bustion Systems — Flomogeneous or Stratified Charge? SAE 2000-01-0650.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *