CC BY
45
УДК 621 431
ПРИМЕНЕНИЕ ФОРКАМЕРНО-ФАКЕЛЬНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ В
ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
П.Л. Шевченко, канд. техн. наук., проф.,
И.И. Ширлин, канд. техн. наук., С.И. Шевченко, аспирант Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
Аннотация. Дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания и предкамер-ным смесеобразованием имеют существенный недостаток - повышенный удельный расход топлива, связанный со значительными потерями энергии на гидравлическое сопротивление в соединительном канале предкамеры и полости цилиндра. Применение форкамерно-факельного воспламенения позволит устранить этот недостаток и объединить достоинства разделенных и не разделенных камер сгорания.
Ключевые слова: двигатели, дизели, воспламенение, камера сгорания
Введение
Среди достоинств дизельных двигателей особенно важным является высокий эффективный коэффициент полезного действия, что выражается в высокой экономичности, пониженной токсичности отработавших газов в сравнении с бензиновыми двигателями. Из недостатков следует отметить повышенную жесткость работы двигателя, особенно при снижении температуры окружающего воздуха и снижении цетанового числа топлива, что вызывает повышенные нагрузки в деталях кривошипно-шатунного механизма двигателя и негативно сказывается на надежности и долговечности двигателя в целом. Причиной этого является увеличение периода задержки воспламенения в рабочем процессе. Описание и постановка задачи Продолжительность периода задержки воспламенения в основном зависит от температуры воздушного заряда в зоне впрыска топлива. Зависимость периода задержки воспламенения от температуры воздушного заряда можно выразить следующим образом [1]:
г, = А • еЕ/ят , (1)
где А - постоянный коэффициент; е - основание натурального логарифма; Е - энергия активации; Т - температура воздушного заряда.
На основе представленного выражения можно утверждать, что повышение температуры воздушного заряда на 10% вызывает сокращение задержки воспламенение на 12-15%.
Однако, повышение температуры свежего заряда возможно до определенного уровня, который определяется наполнением цилин-
рабочий процесс, форкамерно-факельное
дра. В этой связи подогревать воздушный заряд на впуске в цилиндр выше 35-40 К нецелесообразно, так как это ведет к снижению коэффициента наполнения цилиндра [2].
Поэтому необходимо подогревать заряд непосредственно в цилиндре двигателя. В этом случае удается сократить период задержки воспламенения и сохранить наполнение цилиндра двигателя, не снижая эффективной мощности и не увеличивая расхода топлива.
Повышения температуры воздушного заряда в камере сгорания для сокращения периода задержки воспламенения добиваются обычно следующими способами:
- модернизация конструкции камеры сгорания (применение предкамерного и вихрекамерного смесеобразования);
- использование свечей накаливания, жаропрочных вставок, различных экранов и т.п.
Однако, указанные способы имеют недостатки, связанные со сложностями конструктивных решений и низкой эффективностью для решения поставленных задач.
Вариант решения
Другим способом снижения периода задержки воспламенения, за счет создания благоприятных условий для воспламенения топливовоздушной смеси, является форкамерно-факельное воспламенение.
Такой способ позволяет значительно увеличить температуру рабочей смеси в самой форкамере, а, стало быть, снизить период задержки воспламенения.
С этой целью на кафедре «Теплотехника и тепловые двигатели» Сибирской автомобильнодорожной академии была разработана система
форкамерно-факельного воспламенения для дизелей с неразделенной камерой сгорания. Эти двигатели, обладая высокой экономичностью, большой литровой мощностью и хорошими пусковыми качествами, характеризуются высокой жесткостью работы. Применение форкамерно-факельного воспламенения позволит снизить отрицательное влияние повышенной жесткости работы двигателя за счет снижения периода задержки воспламенения.
Для реализации данной идеи была разработана конструкция форкамеры. Устройство располагается в днище поршня, ее объем не превышает 7-8% объема основной камеры сгорания и в нее подается только около 10% топлива.
В результате предполагается значительно сократить задержку воспламенения непосредственно в форкамере, и реализовать ступенчатое воспламенение всего заряда, поскольку воспламенение смеси в форкамере инициирует воспламенение смеси по всему объему камеры сгорания.
При работе двигателя температура стенок форкамеры, а, следовательно, и внутри ее, будет значительно выше температуры в основной камере, так как теплопроводность жаропрочной стали гораздо ниже теплопроводности материала поршня, и, кроме того, возможна теплоизоляция форкамеры [3].
В конце такта сжатия воздух с большой скоростью поступает в форкамеру и увлекает за собой топливо, поступающее из отверстия распылителя, расположенного против соединительного канала форкамеры.
Благодаря высокой температуре в форкамере топливо воспламеняется с очень малым периодом задержки воспламенения. Продукты сгорания, имеющие высокую температуру, вырываются в основную камеру сгорания через четыре отверстия, расположенные по окружности фор-камеры и через соединительный канал против распылителя. Это способствует быстрому воспламенению основной порции топлива и равномерному его распределению по объему основной камеры сгорания. При такой организации рабочего процесса обеспечивается снижение периода задержки воспламенения основной порции топлива и мягкая работа двигателя.
Основные выводы
Благодаря равномерному распределению топлива по объему камеры сгорания, улучшается полнота сгорания топлива, более полно будет использован избыток воздуха. Это позволит осуществить нормальную работу двигателя при пониженном значении коэффициента избытка воздуха и даст возможность увеличить мощность двигателя.
Более полное сгорание топлива будет способствовать снижению токсичности отработавших газов. Кроме того, будут понижены требования к цетановому числу топлива.
Сокращение периода задержки воспламенения дает возможность форсировать двигатель по частоте вращения коленчатого вала без повышения степени сжатия, что позволит относительно просто увеличить литровую мощность двигателя, а стало быть, снизить удельную массу и габариты дизеля.
Эффективный коэффициент полезного действия будет больше, чем у предкамерных и вихрекамерных двигателей, так как поверхность камеры сгорания меньше, а поэтому тепловые потери в охлаждающую жидкость меньше.
Кроме того, гидравлические потери при перетекании рабочего тела практически отсутствуют. Благодаря более полному сгоранию топлива и минимальному увеличению тепловых и гидравлических потерь экономичность двигателя будет выше.
Пусковые качества двигателя при низких температурах будут такими же, как у однокамерных двигателей.
Библиографический список
1. Семенов В.И. Исследование индикаторного периода задержки воспламенения быстроходного многотопливного дизеля с камерой в поршне. Изв. вузов. - М.: «Машиностроение», № 1, МВТУ, 1970.
2. Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. Л.: Машиностроение, 1972. - 223 с.
3. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. - М.: Машиностроение, 1977. - 216 с.
Applying a pre-combustion pilot-flame ignition in diesel engines
P.L. Shevchenko, I.I. Shirlin,
S.I. Shevchenko
Diesel engines equipped with divided combustion chambers and prechamber carburetion have advantages, as well as one considerable disadvantage -high fuel rate in comparison with diesel engines equipped with nondivided combustion chambers. This drawback is bound up with sufficient loss of energy due to flow resistance inthe connecting port between prechamber and chamber space. The mentioned loss is also related with the fact that the entire amount of fuel involved the in carburetion and combustion process is forwarded into the prechamber. Applying a pre-combustion pilot-flame ignition to get rid of described drawback and will combine advantages of divided and nondivided combustion chambers.
Статья поступила 21.04.2008г
