CC BY
27
УДК 621.436.1:631.37-021.465 Е.Н.ЗАКАЛИН, А.П.РУСИН
УЛУЧШЕНИЕ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ В ДИЗЕЛЕ С ОГРАНИЧЕННЫМ ТЕПЛООТВОДОМ
Показано, что повышение температуры стенок камеры сгорания дизеля в результате их теплоизоляции приводит к неблагоприятным изменениям процессов воздухо-снабжения, топливоподачи и смесеобразования, сопровождающимся ухудшением полноты и своевременности процесса сгорания. Предлагаются меры по совершенствованию процесса сгорания топливной смеси в дизеле с ограниченным теплоотводом.
Ключевые слова: теплоизолированный двигатель, камера сгорания, тепловая экономичность, теплоотдача, завихрение рабочей смеси в камере сгорания, адиабатный двигатель.
Введение. Повышение качества работы дизельного двигателя как с технической, так и с экономической точки зрения является в настоящее время особо актуальной задачей. В связи с тем, что дизели очень широко применяются в автомобиле- и тракторостроении, положительное решение этой задачи может дать значительный эффект в сфере ресурсосбережения. Именно из этих соображений многие отечественные и зарубежные учёные сосредоточивают свои усилия в этом направлении, пытаясь подойти к решению стоящей проблемы с различных сторон. Свою точку зрения пытаются изложить авторы данной работы.
Постановка и решение задачи. В современном дизеле относительный (по отношению к теплотворности подаваемого в цилиндры топлива) отвод тепла в воду достигает nв=Qв/GH=0Д2...0,20 и в масло Пм^м/ЗН=0,04...
0,06 [1]. Здесь G, Н - часовой расход и удельная теплотворная способность дизельного топлива (таблица).
Тепловой баланс современного дизеля
Двигатель Пе Пі Пв Пм т
4-тактный:
с приводным компрессором (ПК) 0,29-0,31 0,41 0,15-0,16 0,04 0,45
с турбокомпрессором (ТК) 0,32-0,34 0,42 0,18-0,21* 0,04-0,05 0,25
2-тактный: 0,31-0,32 0,41 0,12-0,13 0,04 0,45
* С учетом охладителя воздуха.
По вышеуказанным данным около 25 % теплоты подаваемого в цилиндры топлива теряется в системе охлаждения. Это снижает экономичность и требует развитой системы охлаждения, что, в свою очередь, ухудшает компоновочные показатели силовой установки. Возможность уменьшить отвод тепла в воду появилась в последние годы благодаря успехам в технологии прочных конструкционных и теплоизоляционных материалов, в том числе на керамической основе. Соответствующие работы проводятся двигателестроительными фирмами многих стран.
Публикации, в основном расчетные исследования, были весьма оптимистичны, и казалось, что теплоизоляция камеры сгорания не связана
с какими-либо термодинамическими трудностями. Сложилась научная концепция адиабатного двигателя, в котором предполагалось полностью устранить теплоотвод из камеры сгорания (Qb=0). С увеличением объема экспериментальных исследований теплоизолированных двигателей стало ясно, что применение теплоизоляции камеры сгорания в большинстве случаев может приводить к ухудшению топливной экономичности [2].
В расчетах теплоизолированных двигателей и адиабатного двигателя зачастую предполагают, что с помощью теплоизоляции можно изменить теплоотвод чуть ли не до нуля. Между тем теплоотдача является результатом не только собственно тепловых процессов передачи энергии от газов к стенке камеры сгорания, но также работы трения в подвижных частях двигателя (цилиндропоршневая группа), которая, очевидно, от теплоизоляции практически не зависит. Долю этой составляющей можно оценить следующим образом.
Примем, что работа механических потерь преобразуется полностью в тепло, передаваемое в масло и воду, т. е. QM<B< = QM + mQe. Здесь m - коэффициент, обусловленный работой трения. Отсюда после перехода к относительной величине получим m = (п~ Пе— Пм)/ Пв.
Из этой зависимости следует, что от 25 до 45% теплоотдачи в воду является результатом механических потерь. Поэтому на собственно теплоотдачу от газов, которая принципиально может быть уменьшена с помощью теплоизоляции, приходятся только оставшиеся 55... 75%.
Однако в реальных условиях возможные границы уменьшения теплоотдачи в воду еще уже. При теплоизоляции стенок камеры сгорания их температура Тт повышается до уровня, который примерно равен сред-
Т T
ней температуре газов цилиндра r ~ CT . В этом случае тепловые потоки между стенкой камеры сгорания и газом могут быть устранены лишь в
Т T
среднем за цикл (SpdQ ~ 0). В тактах впуска и сжатия, когда r < CT , теплота отводится от стенки камеры сгорания к воздуху, а в тактах рабоче-
Т T
го хода и выпуска, когда r > CT , тепловой поток направлен обратно от газа к стенке. Таким образом, принципиально достижимый уровень снижения Qb за счет теплоизоляции не может превысить 50 %.
Как известно, существуют два варианта преобразования сэкономленной теплоты в дополнительную механическую работу: непосредственно в цилиндрах при расширении и путем утилизации теплоты выпускных газов.
Первый вариант реализуется в том случае, если процесс сгорания в теплоизолированной камере сгорания не ухудшится, т. е. закон тепловыделения останется прежним: х (ф) = idem. В этом случае связанное с теплоизоляцией уменьшение Qb приведет к увеличению коэффициента активного тепловыделения ха(ф) = ха(ф) - Пв (ф) и, следовательно, к увеличению работы расширения в цилиндре.
Как показывают расчеты [3], в полезную работу Д^о можно преобразовать около 25...30% от сэкономленной за счет теплоизоляции теплоты Д Пв. Оставшаяся часть (70.75%) ее передается воздуху и газу.
Что касается второго варианта - утилизации тепла выпускных газов, осуществляемой обычно с помощью турбины турбокомпрессора или дополнительной силовой турбины, то этот способ в термодинамическом от-
ношении значительно менее выгоден, чем непосредственное преобразование тепла в работу в цилиндрах двигателя. Дело в том, что при выходе из цилиндров отходящие газы неизбежно расширяются в выпускной системе, что ведет к деградации содержащейся в них энергии. Кроме того, применение утилизационных турбин приводит к повышению давления на выпуске из цилиндров и увеличивает потери насосных ходов. Поэтому, по расчетным оценкам [3], эквивалент преобразования в утилизационных турбинах сэкономленной за счет теплоизоляции теплоты Л Пв в полезную работу Л Пе составляет только Л Пе = 0,15.0,16 Л Пв.
Таким образом, в рамках рассматриваемого допущения х (ф)Нйет максимально возможный эффект от применения теплоизоляции камеры сгорания можно оценить следующим образом. Если принять Пв=0,2 (см. таблицу), а располагаемый уровень ее понижения 50 % (Л Пв = 0,1), то получится экономия Л Пс = 0,3х0,1 + 0,15 х 0,7 « 0,04, т. е. около 4%.
Между тем имеются основания считать, что связанное с теплоизоляцией повышение температурного уровня камеры сгорания (и теплоизолированных двигателей в целом) может изменить процессы воздухоснаб-жения, топливоподачи, смесеобразования и сгорания топлива в сторону их ухудшения, которое состоит в следующем:
1. Подогрев воздуха на впуске приводит к ухудшению процесса наполнения, компенсация которого путем увеличения степени повышения давления в компрессоре як сопровождается соответствующим приростом степени понижения давления в турбине ят противодавления на выпуске из цилиндров и ростом работы насосных ходов выталкивания.
2. Уменьшение давления при подаче топлива и ухудшение характеристик впрыскивания снижает дальнобойность топливных факелов и приводит к неравномерности заполнения камеры сгорания.
3. Интенсификация процесса испарения капель топлива вызывает понижение дальности их проникновения в камеру сгорания, локальное переобогащение рабочей смеси и повышение неравномерности ее состава.
4. Связанное с сокращением продолжительности периода задержки воспламенения уменьшение доли топлива, сгорающего в «кинетической фазе» XI вблизи верхней мертвой точки, и, следовательно, увеличение остающейся доли топлива 1 - х7 , которая сгорает в термодинамически невыгодной «диффузионной фазе» на линии расширения, приводит к увеличению продолжительности процесса сгорания.
Все это уменьшает полноту и своевременность процесса сгорания топлива, что может компенсировать, как показано выше, не очень большой эффект теплоизоляции и ухудшить экономичность теплоизолированных двигателей.
Таким образом, теплоизоляция камеры сгорания требует доводки рабочего процесса теплоизолированных двигателей. Для компенсации влияния неблагоприятных факторов доводку их параметров целесообразно вести в следующих направлениях [3]:
1. Интенсификация подачи топлива путем повышения максимального и среднего давления впрыскивания до 100 ... 120 МПа и выше.
2. Перемешивание рабочей смеси с помощью специального профилирования впускных каналов головки и полураздельных камер сгорания.
3. Совершенствование турбокомпрессоров, в частности, создание высокотемпературной, высокоэффективной турбины (Пт>0,7; ^= 800...900°С), позволяющей обеспечить утилизацию тепла выпускных газов при минимальных противодавлениях на выпуске из цилиндров.
Вывод. Связанное с теплоизоляцией камеры сгорания дизеля повышение уровня температуры газа в ней приводит к ухудшению условий воздухо-снабжения, топливоподачи, смесеобразования и сгорания топлива, что может ухудшить полноту и своевременность тепловыделения и, следовательно, снизить топливную экономичность дизеля с ограниченным теплоотводом. Поскольку около 25.50% величины теплоотдачи от дизеля в охлаждающую жидкость является результатом работы сил трения (механических потерь), принципиальная возможность ее ограничения не превышает 50%, что при условии сохранения закона тепловыделения на уровне базового двигателя может обеспечить улучшение топливной экономичности примерно на 4%.
Для улучшения параметров дизеля с ограниченным теплоотводом целесообразны: интенсификация процесса топливоподачи при оптимизации его характеристик; организация завихрения рабочей смеси в камере сгорания; повышение эффективности и рабочего уровня температур турбин турбокомпрессора и силовой дополнительной турбины.
Библиографический список
1. Болдырев И.В. Проблемы теплоотдачи форсированных двигателей / И.В.Болдырев, Т.Н.Смирнова, А.И.Оськин // Двигателестроение. -1990. - №8.
2. Тепловой баланс малоразмерного дизеля с частичной изоляцией внутрицилиндровых процессов / В.Б. Огородников и др. // Двигателестроение. - 1986. - №8. - С.3-5.
3. Болдырев И.В. Тепловой баланс двигателя с ограниченным теплоотводом / И.В.Болдырев, Т.Н.Смирнова // Двигателестроение. - 1990. - №2.
Материал поступил в редакцию 28.05.09.
E.N.ZAKALIN, A.P.RUSIN IMPROVEMENT OF PROCESS OF COMBUSTION OF THE FUEL MIX IN THE DIESEL ENGINE WITH THE LIMITED HEAT-CONDUCTING PAT
Increasing the temperature of the walls of a combustion chamber of diesel engine, with their thermal insulation leads to unfavorable changes of air, fuel injection and mixture formation, accompanied by deterioration in the completeness and timeliness of the process of combustion. Suggested improvements to the process of combustion engine with limited heat.
ЗАКАЛИН Евгений Николаевич (р.1956), доцент кафедры «Технология технического регулирования» ДГТУ, кандидат технических наук (2005). Окончил Челябинское ВТКУ (1977) по специальности «Инженер по эксплуатации гусеничных и колесных машин».
Научные интересы в области механизации сельского хозяйства.
Автор 9 научных публикаций.
РУСИН Александр Петрович (р.1948), доцент (1981) кафедры «Технология технического регулирования» ДГТУ, кандидат технических наук (1978). Окончил РИСХМ (1971).
Научные интересы в области квалиметрии, управления качеством.
Автор более 100 научных статей, имеет 1 авторское свидетельство.
nshapoval@dstu. вди. ги
