CC BY
76
УДК 621.436.038
ИССЛЕДОВАНИЕ ПО ВЫБОРУ НЕРАЗДЕЛЕННОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ
ДИЗЕЛЯ ВАЗ-341
С.С. Жилин, доцент, к.т.н., Д.Н. Волков, студент, ХНАДУ,
Л.Т. Жилина, научн. сотр., НТУ «ХПИ»
Аннотация. Разработана программа расчетов параметров неразделенной камеры сгорания. Проведено расчетное исследование по выбору параметров камеры сгорания дизеля ВАЗ-341 при различных степенях сжатия и уровнях давления впрыскивания топлива.
Ключевые слова: дизель, камера сгорания, степень сжатия, давление впрыскивания.
ДОСЛІДЖЕННЯ З ВИБОРУ НЕРОЗДІЛЕНОЇ КАМЕРИ ЗГОРЯННЯ ДИЗЕЛЯ
ВАЗ-341
С.С. Жилін, доцент, к.т.н., Д.М. Волков, студент, ХНАДУ,
Л.Т. Жиліна, наук. співр., НТУ «ХПІ»
Анотація. Запропоновано методику розрахунку параметрів нерозділеної камери згоряння. Проведено розрахункове дослідження з вибору параметрів камери згоряння дизеля ВАЗ-341 за різних ступенів стиску і тисках упорскування палива.
Ключові слова: дизель, камера згоряння, ступінь стиску, тиск упорскування.
INVESTIGATION OF CHOICE OF UNSEPARATED COMBUSTION CHAMBER
OF VAZ-341 DIESEL ENGINE
S. Zhylin, Associate Professor, Candidate of Technical Science, D. Volkov, student, KhNAHU, L. Zhylina, Researcher, NTU «KhPI»
Astract. The program for unseparated combustion chamber parameters calculation is developed. The calculation investigation for parameters choice of VAZ-341 diesel engine combustion chamber at different rates of compression and fuel injection pressure is carried out.
Key words: diesel engine, combustion chamber, compression rate, injection pressure.
Введение
Как показывает опыт мирового автомобильного двигателестроения, дизель имеет резервы дальнейшего повышения техникоэкономических и экологических показателей. Одним из направлений совершенствования автомобильных дизелей является отказ от применения разделенных камер сгорания (вихревых, предкамер) и использование открытых камер сгорания, в которых в основном реализуется объемная схема смесеобразования. Недостатки, присущие дизелям с открытыми камерами сгорания, такие как
повышенная жесткость процесса сгорания и шумность, успешно преодолеваются воздействием на характеристики впрыскивания топлива при помощи микропроцессорных систем управления. Кроме того, необходимо отметить непрерывный рост давления впрыскивания топлива, обеспечивающего чрезвычайно мелкое распыливание и интенсификацию процессов смесеобразования и сгорания. В таких условиях приобретают актуальность исследования по согласованию параметров открытой камеры сгорания с характеристиками топливного факела, обеспечивающими объёмный способ смесеобразования и ис-
ключающими значительное взаимодействие топливного факела со стенкой. Особенно осложняется эта проблема в дизелях с малым диаметром цилиндра.
Анализ публикаций
До недавнего времени бытовало мнение, что наиболее экономичный объемный способ смесеобразования более приемлем для дизелей со сравнительно большим диаметром цилиндра (судовые, тепловозные) [1].
В конце 70-х годов английская компания «Яоуег» предприняла попытку создать для легкового автомобиля дизель с неразделенной камерой сгорания, однако, в связи с чрезмерно жесткой работой, такие двигатели не пользовались спросом. Более удачную попытку в этом направлении предпринял «ИаЪ) в 1988 г. Был создан современный дизель с рабочим объёмом 1,93 л и с турбонаддувом. В 1989 г. появился пятицилиндровый дизель с турбонаддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха компании «Аи&» с удельным расходом топлива 198 г/(кВт-ч) [2].
Больших успехов в создании малотоксичных дизелей с однополостными камерами сгорания для легковых автомобилей добились компании «Volksvagen», «Оре1» и др.
Важнейшим условием получения высоких экономических и мощностных показателей дизелей с неразделенной камерой сгорания при допустимой динамике цикла, дымности и токсичности является обеспечение необходимой мелкости и однородности распылива-ния и макрораспределения топлива в камере сгорания. Исследования по влиянию характеристик впрыскивания топлива на рабочий процесс дизеля с объёмным смесеобразованием свидетельствует, что эффективным способом снижения удельного расхода топлива является сокращение продолжительности впрыскивания с одновременным уменьшением мелкости распыливания, которая характеризуется средним диаметром капель Заутера d32. Такая интенсификация сопровождается повышением давления в топливной системе [3]. В настоящее время налажен выпуск экономичных дизелей для легковых автомобилей, в которых используются однополостные ю-образные камеры сгорания и аккумуляторные топливные системы Сот-
mon Rail, в которых создаётся давление 135-150 МПа. Еще большее давление впрыскивания обеспечивает насос-форсунка (до 205 МПа) [4] .
Так как объемное смесеобразование предполагает, что топливные факелы должны хорошо согласоваться с параметрами камеры сгорания, не допуская оседания капель топлива на поверхность стенок головки цилиндра, днища поршня и гильзы цилиндра, поэтому становятся актуальными методики расчета по выбору параметров открытой камеры сгорания.
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является разработка программ расчета геометрических параметров открытой камеры сгорания дизеля, а также определение этих параметров применительно к вихрекамерному дизелю ВАЗ-341 при различных вариантах топливной аппаратуры и степенях сжатия.
Методика определения параметров камеры сгорания
В качестве исходных данных для расчета параметров камеры сгорания (КС) задается:
- число цилиндров /;
- диаметр цилиндра D, м;
- ход поршня S, м ;
- номинальная мощность Ne, кВт;
- частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме работы n, хв-1;
- удельный расход топлива ge, г/кВт-ч;
- степень сжатия е;
- вихревое отношение ^=юв/ю;
- характеристики топлива:
- плотность рт, кг/м3;
- коэффициент поверхностного натяжения
от, Н/м ;
- коэффициент динамической вязкости ^г, Пас;
- максимальное давление топлива в распылители форсунки рф, МПа;
- давление газа в конце наполнения ра, МПа;
- показатели политропы сжатия nc.
После получения исходных данных приступают к определению параметров, которые необходимы для расчета геометрических параметров камеры сгорания.
Для расчета геометрических параметров КС необходимо также задать исходные данные:
- отношение диаметра горловины КС к диаметру цилиндра Ог/О;
- угол наклона боковой стенки гребня к его торцевой плоскости у„;
- радиус тороидальной поверхности ЛтО;
- расстояние от днища головки до точки пересечения осей распиливающих отверстий с осью форсунки от Ис;
- выступание носка распылителя над плоскостью головки Инр ;
- угол конуса распыливания факела у (определяется из расчета параметров топливного факела).
нуса факела. С учетом того, что в центральной зоне камеры рассеивается незначительная часть цикловой подачи топлива, необходимо максимально удалить воздух с этого объёма. Целесообразно объединить вершину этой зоны с точной пересечения осей распыляющих отверстий. В связи с этим рекомендуется принять ук = 86°- у, Лк0=0, а расстояние между образующими конуса факела и конуса центрального выступа на радиусе Л01 А = 2 мм.
В первом приближении
В большинстве дизелей с открытыми камерами сгорания типа Гессельман ОГ/О = 0,75 - 0,85 , кс = 2-2,5 мм.
Анализ конструкций КС дизелей с центральным расположением форсунки свидетельствует, что лучшие результаты по расходу топлива имеют место, когда верхняя образующая конуса факела распыленного топлива практически параллельна плоскости головки цилиндра и проходит на расстоянии 3-4 мм от неё с расчетом снижения уровня выходящего отверстия распылителя относительно точки пересечения оси топливного факела с осью форсунки [1]. Поэтому можно рекомендовать
ус = 90°-у/2.
(1)
Схема к расчету формы камеры сгорания показана на рис. 1.
Образующая центральной зоны КС должна проходить на 3-5 мм ниже образующей ко-
Я. =-
А
V
(2)
*ёУ,
Координаты точек сопряжения участков профиля камеры в поршне
Д
~2
Яз =-, Я2 = Язі ^ |; (3)
Д
Яоі= Якоозук, Неї = Ико + Я(1 - 8Іиук); (4)
Я І і
с1- + Я2 • „ + Ят,
к
1
8ІП ук 008 уи
- К-
(5)
к
Ноі=Нсі+
Я01 ЯС1 — Ят о . (6)
& У к 8ІП У к ’
1
ЯС 2 = ЯС1 Ят 0 • 008 У к;
После этого уточняем
Н = Н + —С2_______ЯС1 •
пС 2 А/С1 ^ ^ ’
(ё У к
—С3 = Я01 + Ят 0 • 8ІП Уш,
Я2 - ЯС 3
(7)
Н =-
С3
ъ
(8)
ш
где Кс1, Нс2, Нс3, Н01 - расстояние от торцевой плоскости поршня.
Объем элементов камеры в поршне: над центральним выступом
V =п
ЯС2 "НС2 (НС1 НКО)
2 3—к НС1 + Нк 0
3
(НС 2 НС1 )
ЯС2 + ЯС1 + ЯС1 ' ЯС2
3
(9)
над тороидальной поверхностью
. Я01 - ЯС 2 .
ф2 = 2 • агсоо8-
Ят
ф3 = 2 • агооо8
ЯС 3 Я01 .
Я 5
1\тт\
(10)
(11)
е Ят20 (2п-ф2 -ф3 + 8ІП ф2 + 8ІП ф3 ) •
ЄТ 0 = 4 ; (12)
у = 2п- Я01 [(ЯС2 - ЯС3 ) Н01 + ет0 ] ; (13)
над боковой стенкой гребня
2)
У =
П • НС3 (Я2 2ЯС3 + ЯС3 • Я2 ;
3
(14)
надпоршневой зазор
4 {Ук3 - У - У2 - ¥3)
Н =-
"и 3
(15)
При проектировании КС уточняется НК0 из условия предотвращения контакта центрального выступа днища поршня с носком распылителя Нн3 - Ннр > 2 мм, то можно принять
НКо = 0, по другому НК0 = Ннр - Нн3 + 2 мм.
Як =
И3 'Vі "к0 .
-1
(16)
ЯП у к
Яс1 = Як008Ук, Нс1 = Як(1-8ІПУк) + Нк0. (17)
Глубина камеры от плоскости днища головки цилиндра
0 < Я < ЯС1,
‘к _ "и 3 1 “к 0
Як -VЯ2к - Я2 ; (18)
яскя < я 2,
Я - —
С1 .
‘к ~ “И 3 1 'С1
(19)
ЯС2<— < ЯС3 ,
Нк = НИ3 + Н01 + VЯГ0 - (Я01 - Я)2 ; (20)
—сз<— < —2 , Нк = Ни3 + (—4 - Я) • (ЯУш ; (21)
Я<Я < Я
3 к и 3
(22)
Координаты точки пересечения оси факела с боковой стенкой камеры сгорания
—1 =
НИ3 НС + Я2(ёУш ;
1
& У с
% ъ
ш
Я1
і=Л
(23)
(24)
(25)
Длина І не должна быть значительно меньше длины І,, на которую развивается топливный факел за период задержки воспламенения т,.
Эта методика была реализована в виде программы на языке БеірЬІ, которая в дальнейшем была использована в расчетных иссле-дованях по выбору параметров камеры сгорания.
1
Результаты расчетного исследования
Для исследования по выбору параметров камеры сгорания, которая обеспечивает объемную схему смесеобразования, применительно к дизелю на базе ВАЗ-341 использовалась методика, описанная выше. Были проведены две группы расчетов камеры сгорания.
В первой группе расчетов исследовалось влияние давления впрыскивания на параметры камеры сгорания. Расчеты проводились для рациональных параметров топливной аппаратуры 7с=6; dc=0,13; 0,12; 0,112, мм.
Рассчитывались варианты с разными давлениями впрыскивания
- рф=100 МПа - модернизированная топливная аппаратура с насосом разделенного типа;
- рф=150 МПа - топливная система типа «Common Rail»;
- рф=200 МПа - топливная система с насос-форсункой.
Перед этим проводились расчеты параметров топливного факела по программе «Fakel» для определения исходных данных для расчета параметров КС.
Были получены профили камер сгорания для этих вариантов, которые представлены на рис. 2.
Анализ рисунков свидетельствует, что, в связи с повышением дальнобойности, радиус тороидальной поверхности для каждого варианта увеличивается на 1 мм. То есть увеличивается расстояние от соплового отверстия до стенки. Камера сгорания становится более плоской, уменьшается размер вытесняющего гребня, что приводит к уменьшению радиальной скорости воздуха.
Это необходимо будет учесть при определении количества сопловых отверстий или тангенциальной составляющей движения заряда. Необходимо определить, что изменение угла конусности факела уф отражается на форме профиля КС незначительно.
Во второй группе расчетов исследовалось влияние степени сжатия е на форму камеры сгорания дизеля. Эти расчеты имеют смысл в связи с тем, что дальнейшее повышение технико-экономических и экологических показателей требует применения наддува двигателя. Известно, что с повышением давления наддува необходимо уменьшать степень сжатия, для того чтоб поддерживать максимальное давление сгорания Рг на допустимом уровне (Рг < 12-13 МПа). Расчеты проводились при такой же комплектации, как и в предыдущем случае (с=6; dc=0,12), и давление впрыскивания .Рф=150 МПа. Степень сжатия е изменялась е=13, 17, 19. Результаты расчетов вариантов профилей камер сгорания показаны на рис. 3.
в
Как видим, объем камеры сгорания уменьшается в основном за счет надпоршневого зазора. С уменьшением е длина проникновения топливного факела в объем камеры сгорания практически не увеличивается на номинальном режиме, так, увеличение степени сжатия Р8 частично компенсируется уменьшением е. При уменьшении скорости режима (п) плотность воздуха резко уменьшается и дальнобойность увеличивается. Но значительный надпоршневой зазор позволяет использовать воздушный заряд, размещенный на периферии.
Выводы
Разработана программа расчета параметров открытой тороидальной камеры сгорания дизеля.
Определены геометрические параметры открытой камеры сгорания применительно к автомобильному дизелю ВАЗ-341 при различных уровнях давления в топливной сис-
теме (Рф=100-200 МПа) и различных степенях сжатия (е=13—19).
Литература
1. Шеховцов А.Ф. Процессы в перспектив-
ных дизелях / А.Ф. Шеховцов. - Харьков : Основа, 1992. - 352 с.
2. Жерновой А. Автомобильный дизель се-
годня / А. Жерновой // Сигнал. - 2000. -№2. - С. 32-34.
3. Шеховцов А.Ф. Современные дизели: по-
вышение топливной экономичности и длительной прочности /А.Ф. Шеховцов.
- К. : Техника, 1992. - 272 с.
4. Воробьев-Обухов А.И. 2000 атмосфер не
предел / А.И. Воробьев-Обухов // За рулём. - 1999. - №1. - С. 50-51.
Рецензент А.Н. Пойда, профессор, д.т.н. ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 30 июня 2011 г.
