CC BY
158
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
*
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.432 В. Р. ВЕДРУЧЕНКО
Н. В. ЖДАНОВ Е. С. ЛАЗАРЕВ
Омский государственный университет путей сообщения
О ВЛИЯНИИ
ТИПА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ НА РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДИЗЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА
Приведена классификация альтернативных видов топлива для транспортных средств и дизельных энергетических стационарных установок. Проанализированы особенности использования альтернативных видов топлива в дизелях и показаны пути технической реализации таких мероприятий. Выполнен развернутый анализ влияния типа смесеобразования, обусловленного формой камеры сгорания, в дизелях различного назначения на показатели работы двигателей.
Ключевые слова: альтернативное топливо, камера сгорания дизеля, смесеобразование, рабочий процесс двигателя, токсичность отработавших газов, экономическая эффективность.
Как правило, все типы дизелей (судовые, тепловозные, автотракторные, дизели специального назначения и др.) проектируют на использование нефтяного дизельного топлива (ГОСТ 305-82).
Однако необходимость экономии нефтяных ресурсов, улучшение эксплуатационных, и особенно экологических свойств топлива, обусловливают по-
иски эффективных способов получения и использования заменителей нефтяных топлив для ДВС, получивших общее название альтернативных.
К альтернативным видам топлива в настоящее время относят [1—6]:
— природный газ — метан (СН4);
— сжатый природный газ (КПГ);
— сжиженный природный газ (СПГ — пропан, бутан);
— сжиженный нефтяной газ (СНГ);
— синтетическое жидкое топливо из углей (СЖТ);
— диметиловый эфир (ДМЭ — СН3ОСН3) из природного газа, углей и др. ресурсов;
— биодизельное топливо — смеси дизельных нефтяных топлив и масел из растительных масличных культур: рапс, подсолнечник, соя, арахис, хлопок, кукуруза и др., эфиров таких масел;
— газовые конденсаты (ГК);
— жидкий аммиак (ЫИ3);
— синтетические низшие спирты (метанол, этанол);
— водород (Н 2): жидкий, газообразный;
— дисперсные топливные системы (ДТС), т.е. эмульсии и суспензии: водотопливные эмульсии (ВТЭ), водомазутные эмульсии (ВМЭ), топливноугольные смеси (ТУС) и др.
Заметим, что в литературе ранее [7 — 9] часто использовалось понятие «нетрадиционное топливо», т.е. топливо не из нефти. В последние годы чаще используется термин — альтернативные виды топлива (АВТ).
Важной особенностью перевода дизелей на альтернативные топлива является возможность обеспечения требуемых эксплуатационно-технических показателей без изменения конструкции двигателя или при ее незначительных изменениях. Это позволяет организовать работу дизелей не только на традиционных нефтяных дизельных топливах, но и на нетрадиционных топливах (в том числе и на газообразных), т.е. обеспечить «всеядность» двигателей. Применение таких двигателей значительно облегчает решение вопросов снабжения транспортных средств топливом в реальных условиях эксплуатации и придает им большую автономность [9—15]. Для обеспечения «всеядности» дизелей необходимо организовать процессы топливоподачи, смесеобразования, воспламенения и сгорания топлива с различными свойствами (другими значениями вязкости, плотности, сжимаемости, фракционного и углеводородного составов). Значительное влияние на работу дизелей оказывает протекание процесса топливопо-дачи. При переводе дизелей на альтернативные виды топлива может возникнуть проблема корректирования топливоподачи, последующих процессов воспламенения и сгорания. В частности, при работе дизелей со штатной системой топливоподачи на легких топливах (облегченные нефтяные топлива и АВТ: спирты, диметиловый эфир, лёгкие газовые конденсаты, сжиженный нефтяной газ, водород и др.) наблюдается уменьшение цикловой подачи топлива и соответствующее снижение мощности двигателей, увеличение периода задержки воспламенения при сгорании низкоцетановых топлив, приводящее к более жесткому процессу сгорания, большим градиентам нарастания давления, возрастанию максимального давления сгорания, изменению параметров капельного факела, создаваемого форсункой. Поэтому для обеспечения требуемых показателей работы дизелей необходимо корректирование цикловой подачи и угла опережения впрыскивания топлива в соответствии с физико-химическими свойствам используемого АВТ [4, 5, 9].
Такие же инженерно-технические мероприятия необходимы и при использовании утяжелённых АВТ: из растительных масляных культур (рапс, подсолнечник и др.); синтетические жидкие топлива из углей (СЖТ); всего спектра дисперсных топливных систем (ДТС) и др.
Однако особенностью организации топливоис-пользования на дизельных судах является то, что в состав судовой энергетической установки (СЭУ) входят 2 — 3 типа дизелей различного назначения (главные, вспомогательные), разной быстроходности, с различными камерами сгорания (КС), т.е. разными способами смесеобразования, разной мощности, работающих как по винтовой характеристике, так и по нагрузочной [10—12].
Процесс смесеобразования в дизелях осуществляется внутри рабочего цилиндра во время впрыскивания топлива. При этом происходит его распыливание (дробление струи топлива на капли, испарение и смешивание с воздухом). В результате образуется горючая смесь, которая при условиях, определяемых родом топлива, его физико-химическими свойствами, давлением и температурой среды и другими факторами, самовоспламеняется [15].
Для получения смесей, близких к однородной, требуются дополнительные меры, способствующие перемешиванию капель топлива с воздухом, их испарению и распределению смеси в объеме КС. К таким мерам относят: применение различных способов смесеобразования, где одну из главных ролей играет форма КС, её геометрические соотношения; создание интенсивных течений воздуха в цилиндре, применение тепловых вставок, обеспечивающих быстрое испарение распыленного топлива, и др.
Различают объемный, объемно-пленочный и пленочный способы смесеобразования [6, 10—13, 15]. При объемном смесеобразовании подаваемое топливо распыливается и испаряется в объеме воздушного заряда КС. При объемно-пленочном смесеобразовании 40...60 % топлива распыливается в воздушном заряде, а остальная часть наносится в виде тонкой пленки на стенки КС, с которых быстро испаряется. При пленочном смесеобразовании почти все топливо (85...95 %) наносится в виде пленки, и только часть (5...15 %) распыливается в объеме камеры сгорания (запальная часть).
Для улучшения качества смесеобразования в дизелях применяют различные типы КС — неразделенные, полураздельные и разделенные, в которых осуществляется не только смесеобразование, но и создаются вихревые течения воздуха, способствующие перемешиванию и испарению топлива. Применяют также предварительное завихривание воздуха, поступающего в цилиндр [7, 15].
Оценку камер сгорания быстроходных дизелей различных типов производят по следующим показателям [7, 15]:
— конструктивным параметрам, определяющим компактность камеры сгорания;
— экономическим и энергетическим параметрам (9е и ре);
— возможностям скоростного форсирования дизеля и форсирования с помощью турбонаддува;
— максимальным давлениям сгорания (р2) и скоростям нарастания давления dp/dф на 1° угла поворота кривошипа, от которых зависит прочность и долговечность поршневой группы, подшипников коленчатого вала и других ответственных деталей;
— температурам стенок камеры на опасных режимах;
— пусковым качествам;
— токсичности выхлопных газов.
Основной задачей смесеобразования в дизелях
является получение оптимального пространственновременного распределения массы топлива в камере сгорания. Топливо в дизелях впрыскивается в ци-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
Рис. 1. Схемы неразделённых камер сгорания (КС) дизелей с непосредственным впрыском: а — КС типа Заурер; б — КС двухтактных дизелей; в — КС типа Лейланд; г — КС двухтактных дизелей с противоположно-движущимися поршнями; д — КС типа Гессельман; е — КС типа Даймлер; ж — КС типа Гарднер; и — КС плоская, размещённая между поршнями
линдр через форсунку. Диаметр сопловых отверстий форсунки ^ может быть определен из выражения [10, 11, 15]:
дц = 1,
откуда
1с д/рвпр.ср ^впра
(1)
(2)
где К — коэффициент пропорциональности, Б — диаметр цилиндра, 1, — число сопловых отверстий, приходящихся на один цилиндр, р — плотность воз-
духа на впуске в цилиндр, рв
среднее давление
впрыска; ст — средняя скорость поршня, а — коэффициент избытка воздуха, твпр и фвпр — продолжительность периода впрыска топлива, с и град.
При конструктивном оформлении указанных принципов смесеобразования в дизелях были разработаны камеры сгорания, позволяющие достичь необходимых результатов при использовании различных топлив с разными свойствами: разной вязкостью, плотностью, фракционным составом, сжимаемостью, и двигателей, работающих в разных условиях. Камеры сгорания делят на неразделенные и разделенные. На рис. 1 показаны основные конструктивные формы неразделенных камер сгорания. Основным принципом смесеобразования в таких
камерах является стремление распределить распыленное топливо по объему камеры сгорания [6, 13, 15].
Все параметры, входящие в выражение (2), кроме диаметра цилиндра, имеют узкие пределы изменения. Так как диаметр сопловых отверстий по условиям эксплуатации целесообразно иметь не менее 0,25 мм, то с уменьшением размеров цилиндра возникает необходимость, согласно формуле (2), либо значительно сокращать число сопловых отверстий, либо снижать давление впрыска. Это ухудшает смесеобразование в цилиндре двигателя и требует интенсификации воздушных потоков в камере сгорания. Тем самым определяется применение различных способов смесеобразования и различных типов камер сгорания в зависимости, главным образом от размеров цилиндра двигателя [10— 12, 15].
Основные типы камер сгорания, применяемые в судовых дизелях, показаны на рис. 1. В неразделенных КС (рис. 1а —и) объем воздушного заряда представляет единое пространство, в которое впрыскивается топливо. Смесеобразование объемное.
В неразделенных камерах сгорания осуществляется объемный способ смесеобразования при непосредственном впрыске топлива через одну или две форсунки. Форма камеры сгорания при этом согласуется с формой топливных факелов и количеством сопловых отверстий. Плоские неразделенные камеры применяются в двигателях с диаметром цилиндра 240— 1000 мм. Равномерное распределение топлива достигается созданием 8—10 топливных факелов
Р
с
т
Рис. 2. Камера сгорания (конструктивное оформление): а — типа Гессельман; б — типа Гессельман фирмы Камминс
'У/УУ/уЛ /АлУ///:
Рис. 3. Полураздельные камеры сгорания быстроходных дизелей (конструктивное исполнение): а — дизели ЯМЗ-236; б — ЦНИДИ; в — дизели Даймлер; г — дизели автомобиля «Татра»; д — дизели фирмы MAN (M-процесс)
в объеме камеры сгорания. Камеры по типам, представленным на рис. 1 б, г, д, применяются для двигателей с диаметрами цилиндра 120 — 500 мм и числом топливных факелов от шести до десяти.
Топливо впрыскивается через многодырчатые форсунки с количеством распыливающих отверстий от 4 до 10 и диаметром 0,2...1,2 мм. Качественного смесеобразования добиваются в основном за счет тонкости распыливания при высоких давлениях впрыскивания (60...150 МПа).
Интенсивность течения воздуха в КС характеризуется вихревым отношением
й = юв/ю, (3)
где юв — угловая частота вращения воздуха в камере сгорания; ю — угловая частота вращения коленчатого вала двигателя.
Камеры типа Гессельман (рис. 2 а, б) применяют в четырехтактных двигателях, крышки рабочих цилиндров которых, по технологическим соображениям, выполняют плоскими, а форма камеры создается формой донышка поршня. Камеру, показанную на рис. 1б, применяют в основном в двигателях, работа-
ющих на тяжелом топливе (из-за увеличенной длины топливных струй).
Камеры, представленные на рис. 1г, е, и применяют в двухтактных двигателях. Форму камеры создают за счет формы днища крышки и поршня, что способствует улучшению очистки цилиндра при продувке [12, 15].
Благодаря небольшой относительной поверхности, разделенные КС обладают хорошими пусковыми свойствами.
Так, в быстроходных дизелях фирмы Камминс (США) применяют камеру сгорания типа Гессельман (рис. 2б) и насос-форсунки, для которых характеристика подачи топлива получается сложной.
Чтобы улучшить индикаторный КПД быстроходных дизелей, фирма Камминс применяет вращение воздушного заряда в камере сгорания Для этого под вставные сёдла впускных клапанов запрессовывают специальные «козырьки», поворачивающие поток втекающего в цилиндр воздуха «тангенциального» по отношению к его оси.
Основным недостатком неразделенных камер является рассогласование форм и размеров факела распыленного топлива и камеры сгорания, вихревого
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
отношения и частоты вращения коленчатого вала или работе в нерасчетных режимах.
Камера сгорания ЦНИДИ (рис. 3б) относится к полуразделённым и разработана в 1948 г. С 1950 г. она применяется на серийных дизелях. Камера улучшает экономичность дизеля и обусловливает бездымный выпуск во всем рабочем диапазоне нагрузочных и скоростных режимов при «мягкой» работе и умеренных значениях максимального давления сгорания. Камера может применяться в дизелях с диаметром цилиндра 70 — 250 мм, как с наддувом, так и без наддува, а также в многотопливных двигателях.
Выводы.
1. Альтернативные виды топлива являются неизбежной перспективой топливоиспользования в дизельной энергетике.
2. Многочисленные формы камер сгорания дизелей обусловлены стремлением обеспечить полноту сгорания топлива, минимальную токсичность отработавших газов и максимальную экономичность дизельной энергетической установки.
3. При принятии решений по переводу дизелей на альтернативные виды топлива форма камеры сгорания играет одну из главных ролей при реализации инженерных технических мероприятий.
Библиографический список
1. Работа дизелей на нетрадиционных топливах / В. А Марков [и др.]. — М. : Легион-Автодата. 2008. — 464 с.
2. Емельянов, В. Е. Альтернативные экологически чистые виды топлива для автомобилей. Свойства, разновидности, применение / В. Е. Емельянов, И. Ф. Крылов. — М. : АСТ, 2004. — 128 с.
3. Деревянин, С. Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей / С. Н. Деревянин, В. А Марков, В. Г. Семёнов. — Харьков : Новое слово, 2007. — 445 с.
4. Ведрученко, В. Р. Альтернативные виды топлива для судовых дизелей : моногр. / В. Р. Ведрученко, И. И. Малахов. — Омск : Омский институт водного транспорта (филиал) НГАВТ, 2012. - 173 с.
5. Топливо и топливные системы судовых дизелей / Ю. А Пахомов [и др.]. — М. : Транслит. 2007. — 496 с.
6. Двигатели внутреннего сгорания : учебник для вузов. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов / В. Н. Луканин [и др.] ; под ред. В. Н. Луканина. — М. : Высшая школа, 2005. — 479 с.
7. Гершман, И. И. Многотопливные дизели / И. И. Герш-ман, А. П. Лебединский. — М. : Машиностроение, 1971. — 224 с.
8. Демьянов, Л. А. Многотопливные двигатели / Л. А. Демьянов, С. К. Сарафанов. — М. : Воениздат, 1968. — 104 с.
9. Сомов, В. А. Судовые многотопливные дизели / В. А. Сомов, Ю. Г. Ищук. — Л. : Судостроение, 1984. — 240 с.
10. Судовые двигатели внутреннего сгорания : учебник / Ю. Я. Фомин [и др.]. — Л. : Судостроение, 1989. — 344 с.
11. Лебедев, О. Н. Двигатели внутреннего сгорания речных судов / О. Н. Лебедев, В. А. Сомов, С. А. Калашников. — М. : Транспорт, 1990. — 328 с.
12. Хандов, З. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания (теория) / З. А. Хандов. — М. : Транспорт, 1969. — 304 с.
13. Ваншейдт, В. А. Конструирование и расчет прочности судовых дизелей / В. А. Ваншейдт. — Л. : Судостроение, 1987. — 476 с.
14. Гогин, А. Ф. Судовые дизели / А. Ф. Гогин, Е. Ф. Ки-валкин, А. А. Богданов. — М. : Транспорт, 1988. — 439 с.
15. Дизели : справ. / Под общей ред. В. А. Ваншейдта, Н. Н. Иванченко, Л. К. Коллерова. — 3-е изд., перераб. и доп. — Л. : Машиностроение. 1977. — 480 с.
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теплоэнергетика».
ЖДАНОВ Николай Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». ЛАЗАРЕВ Евгений Сергеевич, аспирант кафедры «Теплоэнергетика»; инженер ООО «Фаренгейт». Адрес для переписки: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ОмГУПС, кафедра «Теплоэнергетика».
Статья поступила в редакцию 14.01.2014 г.
© В. Р. Ведрученко, Н. В. Жданов, Е. С. Лазарев
Книжная полка
Сибикин, Ю. Д. Техническое обслуживание, ремонт электрооборудования и сетей промышленных предприятий : учебник для начального профессионального образования. В 2 кн. Кн. 1 / Ю. Д. Сибикин. - 6-е изд., стер. - М. : Academia, 2012. - 208 с. - ISBN 978-5-7695-8617-0.
Учебник состоит из двух книг. В первой книге приведены общие сведения о материалах, инструментах, приспособлениях и механизмах, используемых электромонтерами по ремонту и обслуживанию электрооборудования и сетей промышленных предприятий. Во второй книге даны технические характеристики основных видов обслуживаемого оборудования, воздушных и кабельных линий, электроосветительных установок и цеховых электросетей. Рассмотрены вопросы технического обслуживания и ремонта электроустановок. Для учащихся учреждений начального профессионального образования.
Андреева, Е. Г. Информационные системы и технологии в электрохозяйстве предприятий : конспект лекций / Е. Г. Андреева, А. Ю. Ковалёв ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - 59 с.
Рассматриваются основные понятия, принципы и подходы к вопросам определения информационных систем и информационных технологий в электрохозяйствах предприятий и организаций.
