CC BY
2410 лет
журналу
Частично-гомогенное сгорание традиционных и альтернативных топлив в дизелях
Часть 2. Стратегия впрыскивания топлива
Р.З. Кавтарадзе, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,
Т.М. Натриашвили, профессор, директор Института механики машин
им. Рафаэля Двали (Тбилиси, Грузия), д.т.н.,
М.Г. Глонти, докторант Института механики машин им. Рафаэля Двали (Тбилиси, Грузия),
Э.В. Бахрамов, аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана
Окончание. Начало см. в № 1 (61) 2018 г.
9
Проанализированы факторы, осложняющие применение гомогенного сгорания, и приведен сравнительный анализ различных способов осуществления перспективного процесса частично-гомогенного сгорания, предназначенного для снижения концентрации вредных веществ в продуктах сгорания дизеля. Исследованы способы частичной гомогенизации сгорания, в том числе и разделенное (гомогенно-гетерогенное) сгорание (Split combustion). На основе результатов экспериментальных исследований и ЭБ-моделирования рабочего процесса для различных вариантов дизелей с частично-гомогенным сгоранием определена стратегия многократного впрыскивания с учетом степени рециркуляции отработавших газов, приводящая к низкотемпературному процессу сгорания и заметному улучшению экологических характеристик дизеля.
__Ключевые слова:
дизель, частично-гомогенное сгорание, разделенное (гомогенно-гетерогенное) сгорание, многократное впрыскивание, вредные выбросы.
Сравнительный анализ концепций многократного впрыскивания
Важнейшую роль при осуществлении частично-гомогенного сгорания играет стратегия впрыскивания, выбор которой должен осуществляться с учетом многих факторов, прежде всего, таких как тип и размерность дизеля, диапазон изменения режимов его работы, свойства используемого топлива. Понятие стратегии впрыскивания
в данном случае подразумевает выбор оптимальной характеристики многократного впрыскивания, способствующей организации частично-гомогенного сгорания и обеспечивающей улучшение экологических показателей традиционного дизеля.
Оптимальные значения конструктивных и регулируемых параметров топливоподающей аппаратуры, обеспечивающие требуемый уровень гомогенизации смеси перед началом сгорания в дизеле, зависят от геометрических
размеров двигателя. Доказательством такого утверждения служат результаты экспериментальных исследований из [6], полученные на дизеле легкового автомобиля и противоречащие той стратегии впрыскивания, которая приводит к хорошим результатам для дизелей грузовых автомобилей [7]. Несмотря на то, что были использованы аналогичное оборудование и технические средства, при раннем многократном впрыскивании на двигателе легкового автомобиля гомогенное сгорание не было достигнуто. Причиной здесь являются геометрические размеры двигателя. В [7] показано, что в двигателе грузового автомобиля многократное впрыскивание (см. вариант № 2 в табл. 2) позволяет перераспределять воздух и топливо в объеме КС, а в двигателе легкового автомобиля избежать взаимодействия топливного факела со стенкой не получается. Правда, в работе [4], где исследования проводились на опытном одноцилиндровом двигателе с диаметром цилиндра D=200 мм, высказывается мнение, что полученные результаты могут быть распространены на более крупные двигатели, однако весомые доказательства для такого утверждения отсутствуют.
Частично-гомогенное сгорание, осуществленное путем многократного впрыскивания и использования РОГ (см. вариант № 2 в табл. 2), показывает хорошие показатели по эмиссии сажи (см. рис. 1) и оксидов азота (см. рис. 2). В связи с этим, следуя работе [7], коротко проанализируем различные концепции многократного впрыскивания (табл. 4) с целью выбора оптимального для применения в широком диапазоне нагрузочных режимов работы.
Экспериментальные исследования [7] подтвердили, что первые два варианта стратегии многократного впрыскивания (см. № 1 и № 2 в табл. 4) не приводят к приемлемой эмиссии ВВ, так как при малых степенях РОГ показывают высокие значения N0^ а при увеличении
степени РОГ проявляют склонность к повышенному образованию сажи. Причиной такой зависимости являются относительно высокие доли рециркуляции, которые необходимы для осуществления позднего (после ВМТ) начала сгорания гомогенной смеси, образованной путем четырехкратных предварительных впрыскиваний. Высокие степени РОГ совместно с поздним основным впрыскиванием приводят к образованию локальных зон смеси, очень богатых топливом и с малым содержанием кислорода.
В рабочих процессах, соответствующих вариантам № 3 и № 4 (табл. 4), воспламенение гомогенной смеси происходит до ВМТ без применения рециркуляции ОГ. В результате в гомогенном процессе сгорания имеет место типичное для этого процесса резкое повышение скорости нарастания давления. Основное впрыскивание при этом может быть осуществлено в разные периоды рабочего цикла - в процессе сгорания гомогенной части смеси (вариант № 3, табл. 4), что увеличивает общую продолжительность сгорания, или после окончания гомогенного сгорания, когда поршень уже прошел ВМТ и перемещается к НМТ (вариант № 4). Это приводит к тому, что в одном рабочем цикле последовательно протекают два процесса сгорания, разделенные друг от друга, -гомогенное и гетерогенное. Такой процесс имеет название Split Combustion (коротко, SC-процесс), или гомогенно-гетерогенное сгорание.
Моторные испытания SC-процесса показали его явный потенциал по снижению эмиссии NOx и сажи в расширенной области режимов нагрузки. Одновременно было замечено, что в отличие от обычного традиционного способа эмиссия СО и СН слегка повышается. Кроме того, расход топлива получился на 5 % выше по сравнению с традиционным процессом, оптимизированным по расходу топлива [7].
яшшшшишш
Таблица 4
Стратегия многократного впрыскивания
Особенности многократного впрыскивания
Вариант №1
• Посредством РОГ начало сгорания приближается к ВМТ
• Основное впрыскивание происходит в период сгорания
• Не приводит к приемлемой эмиссии ВВ. При малых степенях РОГ - высокие N0^, при увеличении степени РОГ - склонность к увеличенному образованию сажи
Вариант №2
• Посредством РОГ начало сгорания приближается к ВМТ
• Основное впрыскивание происходит в период задержки воспламенения
• Не приводит к приемлемой эмиссии ВВ. При малых степенях РОГ - высокие N0^, при увеличении степени РОГ - склонность к увеличенному образованию сажи
Вариант №3
• Воспламенение гомогенной смеси до ВМТ без РОГ - высокая йр/йф
• Основное впрыскивание - в процессе сгорания гомогенной смеси, что растягивает процесс сгорания
Вариант №4
плпп / \.
Ф
ВМТ
• Воспламенение гомогенной смеси до ВМТ без РОГ - высокая dp/dq
• Основное впрыскивание - после окончания сгорания гомогенной части смеси.
Это приводит к двум, разделенным друг от друга процессам сгорания (Split Combustion). Существенное снижение сажи и NOx, небольшое увеличение СН, CO, gi (< 5%)
Для корректного сравнения Split Combustion с другими процессами, исследованными в [7], также был выбран режим нагрузки p = 6 бар (см. табл. 3). Общая масса впрыскиваемого топлива в процессе Split Combustion была распределена так: 50 % на гомогенную часть (четыре впрыскивания) и 50 % на гетерогенную часть сгорания (одно впрыскивание). На рис. 5 приведены параметры многократного впрыскивания топлива, а на рис. 6 - изменения тепловыделения и его скорости, соответствующие данному опыту.
В целом гетерогенно-гомогенное сгорание (SC-процесс) приводит к существенному снижению CO и СН по сравнению с гомогенным дизельным процессом с многократным впрыскиванием. Однако наличие второй, гетерогенной части сгорания, способствует повышению эмиссии оксидов азота и сажи (см. рис. 1 и 2), правда, при этом эмиссия оксидов азота существенно меньше, чем в традиционном дизельном процессе с разделенным впрыскиванием (см. рис. 2).
Следует заметить, что для рассмотренных концепций процессов сгорания важное значение имеет давление впрыскивания системы Common Rail. При относительно малых значениях этого давления (рвпр=100 МПа) в гетеро-генно-гомогенном процессе был достигнут высокий уровень гомогенизации сгорания. При этом продолжительность процесса основного впрыскивания велика. При высоких давлениях впрыскивания (рвпр=200 МПа) продолжительность основного впрыскивания наоборот очень коротка, и осуществить гомогенизацию сложно. В качестве лучшего компромисса в [7] было использовано значение рвпр=160 МПа (см. табл. 3). Соответственно, с использованием управляемой системы топливоподачи не исключается дальнейшая оптимизация давления впрыскивания.
Установлено также существенное влияние давления наддува. С целью минимизации эмиссии СО и СН было определено оптимальное стартовое начальное значение суммарного коэффициента избытка воздуха а^ =2,0...2,8.
0,2 К 0
ММ -0,2
-0,4
-0,6
-0,8 -
V1 V V V V
1
1
■ I/- и
50
J0
30
20
LA
!0
0
-60
-30 0 30
ф, °УПКВ
60
90
Рис. 5. Сила тока I, поднимающая шток якоря, и ход иглы h форсунки при процессе Split Combustion
10 лет
журналу
13
Рис. 6. Изменения количества выделенной теплоты Qx (кривая 1) и скорости тепловыделения dQJdy (кривая 2) в процессе Split Combustion
На этом режиме в случае SC-процесса РОГ не была предусмотрена (см. табл. 3). Заметим, что использование РОГ (z=20 %) на этих режимах работы в дальнейшем привело к заметному снижению эмиссии NOx по сравнению со значением, полученным без РОГ и приведенным на рис. 2.
Таким образом, применение частично-гомогенного сгорания в дизелях приводит к желаемому эффекту при работе двигателя на больших нагрузках в диапазоне от максимальной мощности до половины ее значения. При работе дизеля на более низких нагрузках усложняется воспроизведение указанных в табл. 3 альтернативных способов сгорания, поэтому с целью дальнейшего расширения исследуемой области нагрузок рекомендуется использование SC-процесса (гомогенно-гетерогенное сгорание).
Моделиров ание альтернативного процесса Split Combustion
С целью предотвращения соударения топливного факела со стенкой КС
в данной работе был разработан новый альтернативный вариант пятикратного впрыскивания, также приводящий к частично-гомогенному сгоранию (8С-процесс). Предложенный вариант, названный дальше как 8С+-процесс, в отличие от варианта № 2 в табл. 2, разработанного в [7, 8], имеет пониженное давление впрыскивания (рвпр=85 МПа), сокращенный УКВТ (100°) и уменьшенную степень РОГ (^=29 %). Эти изменения внесены с целью предотвращения соударения факела со стенкой КС. Цикловая доза топлива в результате пятикратного впрыскивания в 8С+-процессе распределяется по долям тц = 0,18+0,15+0,15+0,15+0,37=1 (для сравнения, см. вариант № 1 и № 2 в табл. 2).
В табл. 5 приведены результаты исследования локальных параметров в цилиндре во время сгорания, полученные с применением 3 Б-модели для случаев традиционного дизельного процесса (вариант № 1, табл. 4) и предложенного частично-гомогенного процесса сгорания (8С+-процесса).
14
в
Таблица 5
Изменение локальных значений коэффициента использования воздуха и концентрации сажи в КС в зависимости от УПКВ
Традиционный (серийный) процесс без РОГ (вариант № 1, табл. 2)
8С+-процесс (частично-гомогенное сгорание) с РОГ (г=29%)
Локальный коэффициент использования воздуха
Ф =360°
ф = 360°
ф =370°
Ф = 370°
Локальная концентрация сажи
ш
ф = 360°
ф = 360°
ф = 370°
Ф = 370°
Заметим, что примененная 3Б-модель рабочего процесса подробно описана в [27-29] и учитывает кинетику образования вредных веществ. Она реализована с применением коммерческой СЯББ-программы AVL-FIRE [25] и верифицирована с использованием экспериментальных данных [27-29]. Для моделирования процесса турбулентного сгорания топливовоздушной смеси используется модель когерентного пламени (СБМ-модель). Образование оксидов азота моделируется с применением расширенного термического механизма Я.Б. Зельдовича, а образование сажи - с использованием кинетической модели для дизельного топлива с химической формулой С14Н30 (тетрадекан), предложенной в С.М. Фроловым [1, 25].
Как было отмечено выше, локальные образования сажи в КС зависят от локальных температур и локального состава горючей смеси. Роль температуры в процессе образования сажи пока еще остается предметом дискуссий, поскольку высокая температура способствует как генерации сажи (пиролиз), так и ее аннигиляции (оксидация) [1]. Выбросы твердых частиц особенно ощутимы при малых значениях локального коэффициента избытка воздуха ав < 0,7. Отметим, что в табл. 5 приведены мгновенные значения локального коэффициента использования воздуха Л. (величина, обратная коэффициенту избытка воздуха Л=1/ав) для различных моментов времени при традиционном (серийный) процессе без РОГ (вариант № 1, см. табл. 2) и альтернативном частично-гомогенном 8С+-процессе с пятикратным впрыскиванием и РОГ (^=29 %). Заметим, что введение РОГ обеспечивает резкое снижение эмиссии оксидов азота.
Очевидно, что разница между УКВТ и давлениями впрыскивания приводит к ощутимому изменению распределения очагов генерации сажи по объему КС. Из табл. 5 видно, что очаги генерации сажи возникают в обогащенных
топливом областях КС, и для уменьшения эмиссии твердых частиц нужно добиться более равномерного распределения топлива в объеме КС, приводящего к локальному коэффициенту избытка воздуха ав>1. Следует также подчеркнуть, что значительная часть образовавшихся в процессе сгорания частиц сажи успевает выгореть, поэтому цикловой выброс сажи относительно небольшой и в серийном рабочем цикле составляет всего 9...10 ррт (см. рис. 1). В частично-гомогенном 8С+-процессе с РОГ содержание сажи по сравнению с серийным и модифицированным серийным (с многократным впрыскиванием) рабочими процессами повышается.
Таким образом, предложенный вариант частично-гомогенного сгорания (8С+-процесс) успешно решает проблему эмиссии оксидов азота, однако хуже справляется с проблемой образования сажи. Объяснить этот факт можно на основе анализа изменения локальных параметров рабочего процесса.
Действительно, в результате РОГ количество кислорода в цилиндре снижается, что приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха и увеличению числа зон в объеме КС с критическим значением коэффициента избытка воздуха, достаточным для образования сажи. Вследствие этого эмиссия твердых частиц сажи в частично-гомогенном процессе с пятикратным впрыскиванием и РОГ почти в 2 раза выше, чем в традиционном процессе без РОГ. Однако из-за выгорания сажи на завершающей стадии сгорания ее образование в этих процессах оказывается примерно одинаковыми.
При многократном впрыскивании до подачи последней пятой порции топлива локальный коэффициент использования воздуха равен 1.1,2 (коэффициент избытка воздуха соответственно 1. 0,83), вследствие чего достигается высокая степень гомогенизации смеси. Поэтому в результате сгорания хорошо гомогенизированной
10 лет
журналу
15
смеси интенсивного образования твердых частиц сажи до ВМТ почти не наблюдается. Во время подачи пятой порции топлива, происходящей при нахождении поршня в районе ВМТ, на его поверхности наблюдается накопление топлива, поэтому коэффициент использования воздуха в этих пристеночных зонах, обогащенных топливом, увеличивается и равен Л=2 (момент времени ф=370°, см. табл. 5). Соответственно коэффициент избытка воздуха равен 0,5, вследствие чего интенсифицируется образование твердых частиц сажи.
Влияние альтернативных рабочих процессов на эффективные показатели дизеля
Оценка эффективных показателей дизеля при различных вариантах характеристик впрыскивания проводилась на основе анализа скоростей тепловыделения. Самовоспламенение смеси в 8С+-процессе, как и ожидалось по
характеристикам впрыскивания топлива, начинается при ф = -30° УПКВ, то есть гораздо раньше по сравнению с серийным (без РОГ) и модифицированным (с РОГ) процессами (рис. 7).
В серийном и модифицированном серийном процессах, соответственно без РОГ и с ней, выделяются две фазы процесса сгорания: кинетическая и диффузионная (рис. 7). При этом кинетическая фаза характеризуется возникновением в объеме КС локальных зон, внутри которых после интенсивного выгорания топлива в очагах (первый максимум на диаграммах скорости тепловыделения), образованных в результате смесеобразования, сосредотачиваются продукты сгорания, несгоревшие пары и капли топлива, а снаружи - зоны с воздухом или смесью воздуха с продуктами сгорания. Очевидно, что скорость тепловыделения во второй фазе (второй максимум на диаграммах скорости тепловыделения) зависит от интенсивности взаимного проникновения этих зон, то есть от турбулентной диффузии.
450
50 -40 -30 -20 -10 ВМТ 10 20 30 40 50
<р, °УПКВ
Рис. 7. Скорость тепловыделения при реализации различных рабочих процессов: 1 - серийный процесс без РОГ; 2 - модифицированный серийный процесс с РОГ (2=20 %); 3 - 8С+-процесс с РОГ (2=29 %)
В случае серийного дизеля без РОГ высокая скорость тепловыделения в первой (кинетическая) фазе в области ВМТ (см. рис. 7) служит основной причиной высокой скорости нарастания давления и сопутствующих нежелательных явлений: высокого уровня шума, увеличенной динамической нагрузки на подшипники и детали криво-шипно-шатунного механизма. В связи с этим целесообразно уменьшить первый максимум скорости тепловыделения (в кинетической фазе), а второй (в диффузионной фазе) - увеличить и сдвинуть далее от начала сгорания.
Применение РОГ в модифицированном процессе (серийный дизельный процесс с РОГ, см. рис. 7) позволяет снизить первый максимум скорости тепловыделения, однако из-за недостатка кислорода это приводит к уменьшению и второго максимума, а также к увеличению продолжительности диффузионной фазы сгорания, сопровождающемуся небольшим всплеском на диаграмме функции
dф
= /(ф) (см. рис. 7).
В 8С+-процессе также заметно двукратное тепловыделение, однако оно не имеет выраженных кинетических и диффузионных фаз. Здесь основное тепловыделение, как было отмечено, начинается гораздо раньше (при ф = -30°), чем в серийном и модифицированном серийном процессах после впрыскивания первых трех порций топлива, то есть когда в цилиндре дизеля смесь уже гомогенизирована. Сгорание гомогенной смеси характеризуется одним максимумом скорости тепловыделения (см. рис. 7) и имеет вид однократного тепловыделения с доминирующей кинетической фазой без ярко выраженного максимума при диффузионном механизме горения. Эта первая фаза гомогенного сгорания в гомогенно-гетерогенном 8С+-процессе по продолжительности значительно больше, чем в традиционных процессах, что
объясняется увеличенной задержкой воспламенения, за время которой в объеме КС образуется больше паров топлива, чем за относительно малую задержку воспламенения при традиционных рабочих процессах.
Предварительная гомогенизация топливовоздушной смеси с достаточно большим содержанием воздуха приводит к относительно медленному (по сравнению с базовыми процессами) снижению скорости тепловыделения. К этому времени в объеме КС мало локальных зон с избытком паров топлива, и при подаче четвертой порции топлива начинает образовываться гетерогенная топливовоздушная смесь. В этой смеси в зонах, богатых кислородом, полностью выгорают пары топлива, а в тех зонах, где имеется избыток паров топлива, полностью расходуется окислитель, что приводит к снижению скорости тепловыделения. Смесь догорает медленно, и скорость тепловыделения достигает своего минимума за несколько градусов до ВМТ (см. рис. 7). Благодаря РОГ и небольшой массе топлива, подаваемой в четвертой порции, максимум скорости тепловыделения в первой фазе горения меньше, а ее снижение носит менее резкий характер, чем в первых двух серийных процессах с РОГ и без нее (рис. 7).
Вторая стадия тепловыделения в 8С+-процессе наблюдается во время подачи в цилиндр пятой порции топлива, при этом начало тепловыделения не совпадает с началом подачи пятой порции (ф = -7°, см. рис. 7). Несмотря на высокую температуру в объеме КС топливо, попавшее в цилиндр, сгорает не сразу вследствие недостатка окислителя, поэтому, как показали численные эксперименты, происходит его накопление в пристеночной области КС (см. табл. 5). В этой стадии скорость тепловыделения достигает второго максимума уже после ВМТ, но она заметно ниже, чем в первой частично-гомогенной стадии сгорания. То есть в целом происходит замедленное
10 лет
журналу
17
сгорание топлива по мере движения поршня к НМТ (см. рис. 7). Для сравнения отметим, что изменение скорости тепловыделения при частично-гомогенном сгорании, осуществленном путем многократного впрыскивания (вариант № 2, табл. 2), носит примерно такой же характер, правда, еще более затянутый.
Существенная разница между исследуемыми концепциями рабочего процесса по характеру изменения скорости тепловыделения (см. рис. 7) обусловливает значительную разницу как по экологическим, так и по эффективным показателям, подтвержденную по результатам численных экспериментов (табл. 6). Как видно, базовый серийный процесс характеризуется наибольшими значениями как среднего эффективного давления (ре=5,95 бар), так и эмиссии оксидов азота (N0^1291 ррт). Этот процесс после некоторой модификации, указанной в табл. 3, и установки системы РОГ (^=20 %) приводит более чем к семикратному снижению эмиссии оксидов азота при уменьшении ре всего на 10 %. Гомогенно-гетерогенный 8С+-процесс с РОГ, показывая такое же значительное снижение N0^ заметно уступает серийному процессу без РОГ по среднему эффективному давлению.
При этом для достижения такого же уровня эмиссии оксидов азота, какой имеется в модифицированном базовом процессе с РОГ (^=20 %), в разработанном гомогенно-гетерогенном 8С+-процессе требуется применение РОГ с повышенной степенью рециркуляции (^=29 %). Минимальную, практически нулевую эмиссию оксидов азота и сажи дает частично-гомогенный процесс, осуществленный путем многократного впрыскивания с высокой степенью РОГ (^=61 %), правда, эффективная мощность дизеля в таком случае заметно может снизиться (табл. 6).
Теплообмен в процессе
частично-гомогенного
сгорания
Очевидно, что гомогенизация процесса сгорания в дизелях, сопровождаемая РОГ, оказывает влияние на теплообмен между рабочим телом и стенками КС. На вопрос, насколько процесс теплообмена в случае частично-гомогенного сгорания отличается от теплообмена в традиционном дизеле, нет однозначного ответа. В работе [30] по результатам измерения показано,
Таблица 6
Результаты моделирования исследуемых рабочих процессов
Параметры двигателя/рабочий процесс Традиционный (серийный) дизельный процесс без РОГ (№ 1, табл. 2) Модифицированный серийный процесс с применением РОГ (г=20%) и сокращением УКВТ до 100° Частично-гомогенное сгорание с многократным впрыскиванием (№ 2, табл. 2) Гомогенно-гетерогенное сгорание (8С+-процесс)
Среднее эффективное давление, ре, бар 5,95 5,36 4,22 3,6
N0^, ррт 1291 178 182 14
Частицы сажи, РРт 9 9 288 2
Примечание: параметры исследуемых дизелей см. в табл. 3.
что известные соотношения, дающие довольно надежные результаты для обычных двигателей, например, а-формула G. Woschni, в случае HCCI-процесса требуют уточнения, связанного с влиянием средней массовой температуры рабочего тела. С другой стороны, также по результатам экспериментальных исследований в [7] делается вывод, что заметных изменений процесса теплообмена при гомогенном сгорании по сравнению с традиционным не обнаружено, и в исследуемой области нагрузочных режимов существенного повышения термических нагрузок на детали не было замечено. Правда, отмечается, что известные модели теплообмена в случае Split Combustion воспроизводят тепловые потери явно с недостаточной точностью.
Характер изменения скорости тепловыделения в процессе Split Combustion (см. рис. 6), а также высокие механические нагрузки с постоянно растущими мощностями и высокими значениями максимального давления цикла в процессе сгорания у современных серийных двигателей, безусловно, приводят к изменению термических и механических нагрузок на основные детали со стороны рабочего тела. Актуальность проблемы создания малотоксичных дизелей, в частности, дизелей с частично-гомогенным сгоранием, обусловливает необходимость детального исследования вопросов локального нестационарного теплообмена в КС и теплонапряжен-ного состояния основных деталей этих двигателей.
Перспективные гибридные рабочие процессы
Очевидно, что HCCI-процесс, а также рассмотренные частично-гомогенные процессы сгорания являются гибридными процессами, основанными на различных сочетаниях свойств, характерных для классических
процессов в дизелях и бензиновых двигателях. Такие процессы подробно проанализированы в [1], поэтому здесь коротко проанализированы лишь те, которые подразумевают гомогенизацию процесса сгорания и появились в последнее время.
Проблема одновременного обеспечения низкого удельного расхода топлива и низких эмиссий В В актуальна и для бензиновых двигателей с непосредственным впрыскиванием, для которых гомогенизация сгорания представляет также большой интерес. Очевидно, в будущем намечается возможное приближение друг к другу способов сгорания в дизелях и бензиновых двигателях, то есть создание так называемых двигателей DiesOtto (Diesel-Otto), у которых системы нейтрализации выпускных газов будут приспособлены к изменяющимся условиям.
Многие конструкторы успешно разрабатывают процесс с самовоспламенением бензина, позволяющий дизелям работать на бензине, сохраняя при этом свойственный им высокий КПД и одновременно обеспечивая низкие эмиссии ВВ. Принцип, применяемый Delphi Automotive [31, 32], основан на использовании относительно длинного периода задержки воспламенения бензина, позволяющего до сгорания образовать качественную топливовоздушную смесь. Однако такой процесс сгорания осуществляется в лучшем случае при очень низких октановых числах, то есть не подходит для имеющихся на рынке бензинов. Кроме того, затрудняется холодный пуск двигателя, а также его работа на низких нагрузках.
Технология, разработанная в Центре исследования двигателей Вискон-синского университета в Мадисоне (Wisconsin-Madison University) [31, 32] и названная RCCI-процесс (Reactivity Controlled Compression Ignition), подразумевает использование как бензина, так и дизельного топлива.
10 лет
журналу
19
Небольшая доля впрыскиваемого, химически более активного (склонного к самовоспламенению) дизельного топли-20 ва создает благоприятные условия для
воспламенения бензина, впрыскиваемого во впускной канал. Этот запатентованный двухтопливный ИСЮ-процесс обеспечивает снижение как расхода топлива, так и эмиссии вредных веществ. При этом, как утверждается в [31, 32], КПД достигается на уровне известных высоких значений для дизелей. Таким образом используются преимущества, имеющиеся у обоих топлив, соотношение которых в смеси непрерывно меняется в соответствии с требуемой нагрузкой двигателя.
Заключение
Применение способа сгорания полностью гомогенной смеси (НСС1-процесс) во всем диапазоне режимов работы двигателя в настоящее время представляется нереальным, прежде всего, из-за следующих причин:
1. Преждевременное воспламенение и неуправляемость процесса сгорания. Раннее впрыскивание топлива в цилиндр (внутренняя гомогенизация смеси) вызывает преждевременное самовоспламенение рабочей смеси (когда поршень все еще движется к ВМТ), с целью предотвращения которого приходится либо уменьшать степень сжатия двигателя, что часто неприемлемо для дизелей, либо повышать температуру самовоспламенения используемого дизельного топлива.
2. Низкое значение температуры самовоспламенения традиционного дизельного топлива, которое затрудняет образование гомогенной смеси в двигателях со степенями сжатия, соответствующими серийным дизелям (е >14). Эффективный способ снижения температуры в цилиндре - применение РОГ, степень которой необходимо повысить до ^ >30...40 %, чтобы предотвратить
преждевременное самовоспламенение гомогенной смеси. Однако высокая степень РОГ может отрицательно повлиять на топливо, а следовательно на экономические и эффективные характеристики двигателя.
Таким образом, применение HCCI-процесса в экспериментальных дизелях до настоящего времени не привело к одновременному улучшению экологических и эффективных показателей.
В связи с этим большое внимание уделяется реализации частично-гомогенного сгорания, идея которого заключается в том, что часть цикловой подачи топлива с целью гомогенизации смеси подается в цилиндр заранее, как в HCCI-процессе, а оставшаяся масса впрыскивается, как в традиционных дизельных процессах, образуя при этом гетерогенную смесь. В результате на первой стадии (фазе) процесса сгорание -гомогенное, а на второй - гетерогенное. Если процесс с частично-гомогенным сгоранием осуществить с преобладающей кинетической фазой горения, то не потребуются значительные изменения в системе топливоподачи по сравнению с традиционным серийным вариантом. Управление процессом сгорания, вплоть до полного разделения процессов впрыскивания и сгорания топлива, осуществляется за счет очень высоких степеней РОГ (до 70 %).
При четком разделении этих двух стадий сгорания промежутком времени осуществляется перспективный процесс частично-гомогенного сгорания, названный гомогенно-гетерогенным или разделенным сгоранием (Split Combustion).
Для осуществления любого из исследуемых в данной работе процессов частично-гомогенного сгорания, в том числе и SC-процесса, с приемлемыми показателями эмиссии сажи, NOx, CO и СН должны быть оптимизированы регулируемые (момент начала подачи топлива и положение поршня в этот
момент, интервал времени между отдельными впрыскиваниями, давление впрыскивания) и конструктивные (угол конусности впрыскивания, форма камеры сгорания, интенсивность закрутки заряда) параметры, обусловливающие характер взаимодействия топливного факела со стенкой КС и концентрацию топлива в пристеночных зонах, тем самым определяющие общий уровень гомогенизации смеси по объему цилиндра.
Дальнейшее развитие процесса частично-гомогенного сгорания подразумевает оптимальное приспособление топлива (традиционного или альтернативного) к способам его сгорания. Исходя из состава традиционного топлива, представляющего собой смесь различных углеводородов (нафтеновые, парафиновые, ароматические), существенно отличающихся друг от друга по физико-химическим свойствам (например, по устойчивости к окислению), можно прогнозировать оптимальный состав топлива будущего. Введение изомеров в качестве углеводородных компонентов с подходящими свойствами позволит создать топливо, оптимальное для данного способа сгорания. Например, топливо из компонентов, кипящих при низких температурах, обеспечит высокий уровень гомогенизации смеси. Разработка синтетических топлив открывает новый потенциал и новые перспективы в этом направлении.
Гомогенное сгорание можно осуществить, используя противоположные свойства традиционных моторных топлив по отношению к самовоспламенению, применяя их одновременно (ЯСС1-процесс). При этом ранее впрыскиваемый во впускную систему бензин из-за длительного периода задержки воспламенения успевает образовать гомогенную смесь с воздухом, которая воспламеняется в результате позднего впрыскивания легко воспламеняющегося дизельного топлива. Трудности возникают на режимах низкой нагрузки, когда
из-за плохой самовоспламеняемости бензина имеют место пропуски сгорания. С другой стороны, дизельное топливо, имея лучшую самовоспламеняемость, требует высокой степени РОГ для обеспечения управляемого сгорания, величина которой должна расти с повышением нагрузки. Очевидно, что оптимальное соотношение топлив (бензин/дизельное топливо) должно меняться в зависимости от нагрузки двигателя. Так что применение ИСЮ-процесса не снимает проблему расширения диапазона рабочих режимов, использующих гомогенное сгорание.
Изменением степени РОГ при частично-гомогенном сгорании можно управлять не только моментом начала самовоспламенения, но и скоростью тепловыделения и скоростью нарастания давления, то есть не только предотвратить типичное для НСС1-процесса преждевременное воспламенение, но и снизить шум и механические нагрузки на основные детали двигателя. Применение РОГ с относительно малой степенью рециркуляции в частично-гомогенном процессе сгорания существенно снижает локальные температуры в КС, что приводит к уменьшению эмиссии оксидов азота, а на концентрацию сажи в продуктах сгорания оказывает практически незаметное влияние. Дальнейшее повышение степени РОГ (до нескольких десятков процентов) приводит к заметному снижению количества свободного кислорода в цилиндре и еще больше уменьшает эмиссию N0^ при этом расход топлива, эмиссия сажи и СО повышаются.
Уровень гомогенизации, существенно влияющий, прежде всего, на образование сажи, зависит от величины задержки воспламенения, параметров и закона подачи топлива в цилиндр, интенсивности движения рабочего тела в цилиндре дизеля. Повышение степени РОГ приводит к увеличению времени задержки воспламенения и снижению
10 лет
журналу
21
максимальных температур цикла, а также сокращает количество свободного кислорода в цилиндре. В результате возможно почти полное блокирование образования оксидов азота в цилиндре. В этом и заключается суть альтернативного процесса частично-гомогенного сгорания в дизелях, который можно отнести к процессам с управляемым самовоспламенением, то есть CAI-процессам (Controlled Auto Ignition).
Одна из основных задач при реализации процесса частично-гомогенного сгорания состоит в оптимизации характеристики впрыскивания топлива. Это связано с тем, что на режимах частичной нагрузки существует ограничение в выборе степени РОГ, то есть при раннем впрыскивании необходимо подавать такое количество топлива, чтобы возможно было регулировать начало сгорания за счет РОГ. Иначе при увеличении доли отработавших газов коэффициент избытка воздуха падает до 1 и ниже, вследствие чего растет эмиссия сажи. В таком случае частично-гомогенный процесс становится неэффективным по сравнению с традиционным дизельным не только с точки зрения топливно-экономических и эффективных показателей двигателя, но и с точки зрения выбросов твердых частиц. Таким образом, реализация частично-гомогенного процесса осложняется малыми значениями коэффициента избытка воздуха на частичных режимах и сложностью выбора оптимальной характеристики впрыскивания топлива.
Для оценки потенциальных возможностей различных концепций дизельного рабочего процесса с гомогенным и частично-гомогенным сгоранием традиционных и альтернативных топлив, рассмотренных в данной статье, требуется детальное исследование внутри-цилиндровых процессов, в частности, процессов смесеобразования, сгорания и образования вредных веществ в локальных зонах объема цилиндра
двигателя. Характер нестационарного изменения локальных параметров, их взаимные влияния и роль в образовании вредных веществ могут быть существенным образом изменены в зависимости от регулируемых и конструктивных факторов. Очевидно, что раскрытие физических сущностей этих сложных процессов и выбор оптимального варианта гомогенизации сгорания в дизелях возможны только с применением 3D CRFD-моделей рабочего процесса. Задачи гомогенизации сгорания в дизелях подтверждают, что основным предметом исследования современной теории рабочих процессов поршневых двигателей является изменение локальных параметров в рабочем цикле, без анализа которых невозможно прогнозировать эффективные и экологические показатели новых альтернативных процессов сгорания. Экспериментальные исследования локальных параметров в КС в рамках такой постановки, чаще всего, пока еще невыполнимы либо очень дороги.
Проведенный аналитический обзор и результаты моделирования и экспериментального исследования альтернативных процессов сгорания, в частности, частично-гомогенного сгорания в дизелях, подчеркивают, что основной проблемой современной теории поршневых двигателей является согласование показателей по эмиссии вредных веществ с показателями по расходу топлива. Постоянно ужесточающиеся законодательные нормы по экологии надо воспринимать как мотивацию для поиска новых способов совершенствования рабочего процесса и внедрения инновационных технологий в двигателестроении. Печальный пример с Volkswagen [32] показывает, что другого пути к решению данной проблемы нет.
Работа выполнена в рамках проекта FR/241/3-170/14.
Литература
10 лет
журналу
1. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. 2-е издание. -М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. - 590 с.
2. Basshuesen R., Schäfer F. Handbuch. Verbrennungsmotor. 4. Aufgabe. - Wiesbaden: Vieweg & Sohn Verlag, 2007. - 1032 s.
3. Ra Y., Reitz R.D. The Use of Variable Geometry Sprays with Low Pressure Injection for Optimization of Diesel HCCI-Engine Combustion. - SAE, 2005-01-0148.
4. Исследование горения в дизеле (материалы конгресса CIMAC-2013) // Двигателе-строение. - 2016. - №1. - С. 45-57.
5. Kavtaradze R.Z., Natriashvili T.M., Zelentsov A.A. Ignition Delay and Emission of the Noxious Substances in Double-Fuel Engines Working on the natural Gas and Syngases // Chapter 15 (p. 109-120) in the Book: Innovative Methods for Improvement of Technical, Economic and Ecological Efficiency of Motor Cars (ISBN:978-1-63463-671-1). - New-York: NOVA-Publishers, 2015. - 138 p.
6. Wesslau M., Bargende M., Haas S., Boulouchos K., Barroso G., Escher A. Homogene Dieselverbrennung - Verfahren zur Emissionsreduzierung. Teil 1: Untersuchungen am PkwDieselmotor // MTZ. - 2006. - № 10. - S. 798-805.
7. Müller E., Weiskirch Ch., Bach E., Emmrich Th., Bach E., Schneemann A. Homogene Dieselverbrennung - Verfahren zur Emissionsreduzierung. Teil 2: Untersuchungen am Nfz-Motor // MTZ. - 2006. - № 11. - S. 906-917.
8. Schneemann A., Emmrich Th., Bach E. Oberflächentemperaturmessung und lokale Wärmeübergang // Informationstagung Motoren. Herbst 2006, Würzburg. Heft R 535 (2006). -S. 281-305.
9. Henle A. Entkopplung von Gemischbildung und Verbrennung bei einem Dieselmotor: Dissertation. - München, 2006. - 193 s.
10. König, G., Raab, A. Brennraum einer selbst zündenden Brennkraftmaschine Stuttgart, DaimlerChrysler AG, Patentschrift W0/2006/058640 (2006).
11. Gatellier, B., Ranini, A., Castagne, M. New developments of the NADI concept to improve operating range, exhaust emissions and noise In: Oil & Gas Science and Technology // Rev. IFP. - 2006. - Vol. 61. - Nr. 1. - S. 7-23.
12. Lewander M., Jojansson B., Tunestal P., Keeler T., Tullis S., Milovanovich N. Evaluation of the Operating Range of Partially Premixed Combustion in a multi Cylinder Heavy Duty Engine with Extensive EGR. - SAE. 2009-01-1127.
13. Hashizume T., Myamoto T., Akagawa H., Tsujimura K. Combustion and Emission Characteristics of Multiple Stage Diesel Combustion. - SAE Paper 980505, 1998.
14. Shimazaki, N., Akagawa, H., Tsujimura, K. An experimental study of premixed lean diesel combustion. - SAE-paper 1999-01-0181.
15. Weiskirch, C. Reduktion von NOx- und Partikelemissionen durch (teil-) homogene Dieselbrennverfahren. - Braunschweig, Technische Universität, Dissertation (2007).
16. Кавтарадзе Р.З., Сергеев С.С. Новый альтернативный (частично-гомогенный) процесс сгорания как способ снижения концентраций оксидов азота и сажи
23
^Cou»^
в продуктах сгорания дизеля // РАН. Теплофизика высоких температур. - 2014. - Т. 52. -№ 2. - С. 294-309.
17. Кавтарадзе Р.З., Зиновьев И.А. Влияние частичной гомогенизации процесса 24 сгорания на экологические показатели дизеля // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Сер. «Машиностроение». - 2016. - № 4. - С. 113-127.
18. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Зиновьев И.А., Голосов А.С. Влияние альтернативного процесса впрыскивания топлива на локальные образования оксидов азота и сажи в камере сгорания дизеля // Известия РАН. Энергетика. - 2016. - № 5. -С. 152-159.
19. Han X., Wang M., Zheng M. An Enabling Study of Neat n-Butanol HCCI Combustion on a High Compression-ratio Diesel Engine. - SAE Technical Paper. 2015-01-0001.
20. Valentino G., Corcione F.E., Iannuzzi S.E., Serra S. Experimental study on performance and emissions of a high speed diesel engine fuelled with n-butanol/diesel blends under premixed low temperature combustion // Fuel. - 2012. - 92(1). - Pp. 295-307.
21. Rahman A., Ramesh A. Effect of Split Injection on Combustion and Performance of a Biogas-Diesel Fueled PPCCI Engine. - SAE Technical Paper, 2015-24-2453.
22. Кавтарадзе Р.З. Улучшение экологических показателей водородного дизеля с непосредственным впрыскиванием газообразного водорода // РАН. Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2016. - T. 45. - № 4. - С. 20-29.
23. Кавтарадзе Р.З., Краснов В.М. Влияние частичной гомогенизации смеси на образование оксидов азота в камере сгорания водородного дизеля // Транспорт на альтернативном топливе. - 2016. - № 2 (50). - С. 50-56.
24. Кавтарадзе Р.З. Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и водород. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 238 с.
25. FIRE. Users Manual // AVL List GmbH. - Graz (Austria), 2017.
26. Alkidas A.C. Relationships between smoke measurements and particulate measurements // SAE Technical Paper 840412. - 1984. - 9 p.
27. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Зеленцов А.А. Трехмерное моделирование нестационарных теплофизических процессов в поршневых двигателях. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - 85 с.
28. Kavtaradze R., Natriashvili T., Zelentsov A., Glonti M. Lokal heat exchange in combustion chamber and the intensive heat state of the diesel piston, converted into the two-fuel engine // International Scientific Journal IFToMM «Problems of Mechanics». - 2013. - № 1 (52). -Pp. 55-61.
29. Kavtaradze R.Z., Zelentcov A.A., Onishchenko D.O., Skripnik A.A. Simulation of Local Heat Transfer in Combustion Chamber of Aircraft Piston Engine / Proceedings AVL International Simulation Conference 2017, June 27-29, Austria, Graz. - 2017. - Pp. 1-7.
30. Chang J., Guralp O., Filipi Z., Assanis D., Kuo T.W., Najt P., Rask R. New Heat Transfer Correlation for an HCCI Engine Derived from Measurements of Instantaneous Surface Heat Flux // SAE Technical Paper 2004-01-2996. - 18 p.
31. Reitz R.D., Duraisamy G. Review of high efficiency and clean reactivity controlled compressionignition (RCCI) combustion in internal combustion engines // Progress in Energy and Combustion Science. - 2015. - V. 46. - Pp. 12-71.
32. Reitz R.D. Das Diesel-Dilemma // MTZ. - 2016. - № 3. - S. 90.
