CC BY
53
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014
*
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
удк би.432 в. р. ВЕДРУЧЕНКО
Н. В. ЖДАНОВ Е. С. ЛАЗАРЕВ
Омский государственный университет путей сообщения
ВЛИЯНИЕ РАЗДЕЛЁННЫХ И ПОЛУРАЗДЕЛЁННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ НА РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДИЗЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА
Проанализированы особенности использования альтернативных видов топлива в дизелях и показаны пути технической реализации таких мероприятий. Выполнен развёрнутый анализ влияния типа смесеобразования, обусловленного фор-мой камеры сгорания, в дизелях различного назначения на показатели работы двига-телей.
Ключевые слова: альтернативное топливо, камера сгорания дизеля, смесеобразование, рабочий процесс двигателя, токсичность отработавших газов, экономическая эффективность.
Применение полуразделенной камеры на дизелях различных типов показало возможность увеличения экономичности двигателя при работе на дизельном топливе. С другой стороны, как показали исследования, проведенные на нескольких четырехтактных дизелях с камерой сгорания ЦНИДИ (рис. 1), дизели могут быть приспособлены к работе на различных топливах практически без изменения мощностных
и экономических показателей. Таким образом, можно сочетать улучшение конструкции дизелей с решением задачи их многотопливности [1 — 10].
Из числа камер сгорания, применяемых за рубежом и обеспечивающих объемно-пленочное или приближающееся к пленочному смесеобразование, наиболее широко известна камера сгорания фирмы MAN (ФРГ), так называемая камера с процессом М.
Рис. 1. Схема камеры сгорания с кольцевым вихрем (ЦНИДИ): схема движения воздушного заряда и факелов топлива
Принципиальное отличие камеры М от камеры ЦНИДИ состоит в том, что в камере М создается вращательное относительно оси цилиндра движение воздуха.
Дизели с М-процессом имеют высокую топливную экономичность в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, процесс сгорания происходит в них почти бесшумно (практически не прослушивается на фоне других шумов двигателя), для них можно использовать различные топлива с интервалом кипения 45 — 400°С.
В камере ЦНИДИ (рис. 1)организованное движение воздушного заряда обусловливается формой камеры и перетеканием газов при движении поршня При этом вращательное движение газов вокруг оси цилиндров не является необходимым и в большинстве случаев практически отсутствует.
В камере сгорания фирмы MAN форсунку устанавливают наклонно со смещением относительно оси цилиндра. В камере ЦНИДИ наряду с таким положением форсунка может устанавливаться также вертикально и в центре. Все это делает камеру ЦНИДИ более универсальной. Не имея преимуществ в отношении экономичности, камера М обуславливает меньшую скорость нарастания давления при сгорании [1 — 10].
В этих отношениях ещё лучше зарекомендовали себя разделенные камеры (рис. 2, 3, 4) состоящие из двух полостей надпоршневой и отделенной, соедине-
ннои с надпоршневой одним или несколькими каналами небольшого сечения. Вследствие этого наполнение отделенной части камеры в процессе сжатия осуществляется при значительном перепаде давлении, что создает в неИ интенсивные турбулентность и перемешивание распыливаемого топлива с зарядом воздуха, мало зависящее от количества и массовоИ скорости впрыскиваемого топлива.
Вторая характерная особенность разделенных камер заключается в том, что, хотя часть их поверхности охлаждается менее интенсивно, чем стенки неразделенных камер, они имеют повышенную температуру [7, 9, 10].
Вихревые камеры шаровоИ, цилиндрической или бочкообразной формы располагают в головке блока цилиндров или в верхнеИ части блока цилиндров и соединяют с надпоршневым пространством камеры сгорания одним-тремя каналами цилиндрической или овальноИ формы (рис. 2а), выполняемыми в горячеИ вставке касательно к окружности камеры. Это создает в камере организованный вихрь. Топливо подается, как правило, штифтовоИ или клапанноИ форсун-коИ в направлении к поверхности горячеИ вставки. МеняющиИся полыИ факел распыленного топлива хорошо распределяет топливо в объеме камеры, что позволяет использовать малые значения (а =1,15^ 1,4).
В дизелях малых размерностеИ Рц<80 мм) не удается достаточно удовлетворительно организовать совершенное смесеобразование при непосредственном впрыске топлива, так как для этого многосопловые распылители должны иметь диаметры отверстиИ менее 0,15 — 0,2 мм (чтобы создать высокие давления распыливания), но такие распылители быстро закок-совываются [10].
Вместе с тем разделенные камеры имеют и существенные недостатки. Вследствие высоких скорос-теИ движения заряда (что предопределяет повышенный коэффициент теплоотдачи) и более развитоИ поверхности, омываемоИ горячими газами, тепловые потери у этих камер значительно более высокие, чем при неразделенных камерах. Поэтому у дизелеИ с разделенными камерами сгорания удельные расходы топлива на режимах основных рабочих нагрузок на 10 — 20 г/(л. с.'ч) более высокие, чем при неразде-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014
ленных камерах, заметно ухудшаются пусковые качества дизелеИ, неизбежна повышенная отдача тепла в охлаждающую среду. При сгорании топлива давление в камере возрастает, несколько превышая давление в цилиндре (рис. 2а, б), вследствие чего продукты сгорания вместе с воздухом и несгоревшеИ частью топлива перетекают в цилиндр, где происходит их дальнеИшее перемешивание с воздухом, заключенным в надпоршневом пространстве, и интенсивное движение несгоревшего топлива [10].
Для сокращения периода задержки воспламенения впрыскиваемое форсункоИ топливо обычно направляется на поверхность неохлаждаемоИ в камере вставки.
В отечественном автотракторном дизелестроении получили распространение вихревые камеры сгорания сферическоИ формы с неохлаждаемоИ или тепло-изолированноИ вставкоИ и одним соединительным каналом (рис. 2а, б). Наилучшие результаты по топ-ливноИ экономичности дизелеИ с вихревыми камерами сгорания, при использовании штифтовых распы-лителеИ с углом конуса распыливания 4—15°, достигаются при интенсивности вихревого движения воздуха 0 = 25 — 40 [10].
Предкамеры (рис. 2в, г). Отделенная от основноИ камеры соединительным каналом предкамера представляет полость, объем котороИ составляет 20 — 35% объема пространства сжатия. Полость размещена в головке блока и соединена одним или несколькими каналами относительно небольшого сечения с над-поршневым пространством.
При ходе сжатия воздух перетекает из цилиндра в предкамеру, при этом в последнеИ образуются вихревые движения. Топливо впрыскивается через одно-сопловоИ распылитель с небольшим конусом распыливания во избежание его оседания на боковых стенках предкамеры (рис. 2в, г). В последнеИ топливо воспламеняется, но из-за недостатка кислорода сгорает частично, вызывая повышение давления в предкамере по сравнению с давлением в-цилиндре на 10 — 15 кгс/см2 (1 — 1,5 МПа).
Под деИствием создавшегося перепада давления горящие газы с остальноИ частью топлива выбрасываются через соединительныИ канал в надпоршневое пространство.
К преимуществам предкамерного смесеобразования относятся малые скорости нарастания давления и невысокие максимальные давления цикла в основноИ камере, составляющие на полноИ нагрузке без наддува 2 — 4 кгс/(см2 'град) (0,2 — 0,39 МПа/град) к 65 — 70 кгс/см2 (0,4 — 6,9 МПа), а также возможность бездымноИ работы до а =1,3^1,25 [10].
Недостатком предкамерного смесеобразования является трудныИ пуск дизелеИ без специальных мер (даже при увеличенноИ степени сжатия 8= 17^21) из-за большого отношения внутреннеИ поверхности камеры сгорания к ее объему.
Повышенные тепловые и гидравлические потери, связанные с перетеканием топлива из цилиндра в предкамеру и обратно, а также потери на вихреобра-зование и распыливание топлива интенсивными потоками газов, приводят к увеличению удельного расхода топлива до 200 — 220 г/(л. с/ч) [270 — 273 г/(кВт'ч)) для дизелеИ средних и больших размерностеИ [6 — 8].
СемеИство многотопливных предкамерных дизелеИ фирмы Катерпиллер (КС одноИ их моделеИ приведена на рис. 3 включает несколько моделеИ с различным числом и расположением цилиндров: четы-рехцилиндровыИ с рядным расположением мощностью 320 л. с. шестицилиндровыИ рядныИ мощностью
Рис. 3. Камера сгорания многотопливного предкамерного дизеля фирмы Катерпиллер 1050
(конструктивное исполнение)
480 л. с., восьмицилиндровыИ V-образныИ мощностью 640 л. с. Наиболее мощныИ дизель модели LVMS 1050 имеет 12 цилиндров с V-образным расположением. Он развивает мощность 960 л. с. при числе оборотов 2800 в минуту; диаметр цилиндров D=114,3 мм; ход поршня S= 139,7 мм; рабочиИ объём ^= 17,22 л; степень сжатия 8= 19,5. Двигатель имеет очень высокое среднее эффективное давление ре, достигающее на номинальном режиме 18 кг/см2.
Дизель с предкамероИ малого перепада давления (МВМ). МноготопливныИ предкамерныИ дизель МВМ (ФРГ) создан на базе предкамерного дизеля обычного типа с воздушным охлаждением, что само по себе уже способствует достижению многотоплив-ности. КС такого дизеля приведена на рис. 4.
Воздушно-вспомогательные камеры. Воздушновспомогательные камеры состоят из воздушноИ камеры, расположенноИ в головке блока, и главноИ камеры в надпоршневоИ полости. В отличие от вихревых камер и предкамер топливо подается не в дополнительную, а в надпоршневую полость, которая может иметь различную конфигурацию [10].
По данным испытаниИ ЦНИЛТД (Центральная научно-исследовательская лаборатория токсичности двигателеИ) компоненты отработавших газов дизелеИ с разделенными камерами сгорания менее токсичны по сравнению с компонентами отработавших газов дизелеИ с непосредственным впрыском (табл. 1).
Давления и температуры сгорания при разделенных камерах также ниже, чем при непосредственном впрыске. Так как окислы азота образуются, прежде всего, при наличии свободного кислорода и высоких температурах, то естественно, что при разделенных
Рис. 4. Камера сгорания многотопливного предкамерного дизеля фирмы МВМ (конструктивное исполнение)
Таблица 1
Осредненная оценка токсичности (г/л. с.-ч (г/кВт^ч)) дизелей с разделенными камерами и с непосредственным впрыском топлива
Дизели Дизели
компоненты вихрекамерные с непосредственным впрыском компоненты вихрекамерные с непосредственным впрыском
Окислы азота 8-12 (10,9-16,3) 20-25 (27,2-34) Окись углерода 0,3- 1,5 (0,4 - 2,0) 2-5 (2,7-6,8)
Сажа 0,5 -1,5 (0,7-2) 2-2,5 (2,7-3,4) Углево дороды 0,2-0,3 (0,3 - 0,4) 0,3-0,5 (0,4-0,7)
Рц,кгс/см2
во М вмт ад во /р^рад
Рис. 5. Индикаторная диаграмма дизеля при смесеобразовании:
1 — объёмном;
2 — плёночном (Рц — давление в цилиндре)
Рис. 7. Характер диаграммы давления в цилиндре предкамерного дизеля:
1 — над цилиндром; 2 — в предкамере
камерах сгорания физико-химические и температурные условия меньше способствует их образованию [9, 10].
Английской дизелестроительной фирмой Перкинс разработан процесс для быстроходного дизеля малого типоразмера без наддува с непосредственным впрыском топлива, с низкой токсичностью компонентов отработавших газов — близкой к той, которая достигается при разделенных камерах сгорания.
Добавим, что в составе дизельных СЭУ судов внутреннего плавания преимущественно используются главные (пропульсивные) дизели с КС типа Гес-сельман, типа Гарднер, камеры ЦНИДИ [6 — 9].
Рис. 6. Изменение давления за период сгорания (вихрекамерный дизель):
________ — в вихревой камере;_________ — в
цилиндре
Для вспомогательных двигателей чаще всего используются быстроходные дизели с вихрекамерным смесеобразованием и тороидальными камерами в поршне, менее чувствительные к качеству топлива [3-9].
На рис. 5, 6, 7 представлены характерные индикаторные диаграммы разных дизельных двигателей с различными способами смесеобразования, что даёт возможность судить о динамике процесса сгорания в КС разных конструкций, о их влиянии на жёсткость рабочего цикла дизельного двигателя [11-14].
Выводы.
1. При принятии решений по переводу дизелей на альтернативные виды топлива форма камеры сгорания играет одну из главных ролей при реализации инженерных технических мероприятий.
2. Важным фактором и мотивами использования АВТ является одновременное решения задач снижения токсичности отработавших газов дизелей и повышения их экономичности, что достигается использованием полуразделённых камер сгорания в дизелях.
3. Значимость экономической оценки ущерба от загрязнения окружающей среды отработавшими газами двигателей предполагает дальнейшее совершенствование законодательной базы в этом направлении.
Библиографический список
1. Гершман, И. И. Многотопливные дизели / И. И. Гершман, А. П. Лебединский. — М. : Машиностроение. 1971. — 224 с.
2. Демьянов, Л. А. Многотопливные двигатели / Л. А. Демьянов, С. К. Сарафанов. — М. : Воениздат, 1968. — 104 с.
3. Сомов, В. А. Судовые многотопливные дизели / В. А. Сомов, Ю. Г. Ищук. — Л. : Судостроение, 1984. — 240 с.
4. Судовые двигатели внутреннего сгорания : учебник / Ю. Я. Фомин [и др.]. — Л. : Судостроение, 1989. — 344 с.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014
5. Лебедев, О. Н. Двигатели внутреннего сгорания речных судов / О. Н. Лебедев, В. А. Сомов, С. А. Калашноков. — М.: Транспорт, 1990. — 328с.
6. Хандов, З. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания/
З. А. Хандов. — М. : Транспорт, 1969. — 304 с.
7. Ваншейдт, В. А. Конструирование и расчет прочности судовых дизелей / В. А. Ваншейдт. — Л. : Судостроение, 1987— 476 с.
8. Гогин, А. Ф. Судовые дизели / А. Ф. Гогин, Е. Ф. Кивал-кин, А. А. Богданов. — М. : Транспорт, 1988. — 439 с.
9. Дизели : справ. / Под общ. ред. В. А. Ваншейдта, Н. Н. Иванченко, Л. К. Коллерова. — 3-е изд., перераб. и доп. — Л. : Машиностроение, 1977. — 480 с.
10. Тракторные дизели : справ. / Б. А. Взоров [и др.] ; под общ. ред. Б. А Взорова. — М. : Машиностроение, 1981. — 535 с.
11. Ведрученко, В. Р. О выборе схем и разработке технических решений систем топливоподачи альтернативных и тяжелых топлив в дизелях. Часть 1 / В. Р. Ведручеко, В. В. Крайнов, Н. В. Жданов, М. В. Кульков // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технология. — 2010. — № 2 (90). — С. 157 — 162.
12. Ведрученко, В. Р. Характеристики альтернативных видов топлива и их влияние на рабочий процесс дизельных двигателей / В. Р. Ведрученко // Промышленная энергетика. — 2010. — № 12. — С. 50 — 58.
13. Ведрученко, В. Р. Влияние состава и свойств традиционных и альтернативны топлив на показатели динамичности рабо-
чего цикла и регулировочные параметры дизелей / В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Н. В. Жданов // Энергетика и теплотехника : сб. науч. тр. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012.— Вып. 17. — С. 57-69.
14. Ведрученко, В. Р. Дисперсные топливные системы как энергоносители до стационарных теплогенерирующих установок и двигателей транспортных средств / В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, М. В. Кокшаров // Повышение эффективности объектов теплоэнергетики и систем теплоснабжения : межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2012. — С. 28-33.
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-46, пр. Маркса, 35, ОмГУПС.
Статья поступила в редакцию 14.01.2014 г.
© В. Р. Ведрученко, Н. В. Жданов, Е. С. Лазарев
УДК 621.316.5 д. п. ПОПОВ
О. П. КУРДКИНД
Омский государственный технический университет
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ЗДТРДТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НД ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ТОКД В ИНДУКТИВНОЙ НДГРУЗКЕ С ЗДДДННЫМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ
В статье рассматриваются различные способы ускорения тока при переключении его в индуктивной нагрузке при допустимых затратах электрической энергии. Ключевые слова: быстродействие переключения тока, затраты электрической энергии, индуктивная нагрузка, энергия магнитного поля.
В различных устройствах автоматики, электрони- ке. Процессы гашения поля нагрузки в данной статье
ки применяется коммутация тока в обмотках, созда- не рассматриваются.
ющих заданную величину магнитного поля. При этом Рассмотрим различные способы ускорения уста-
необходимо осуществлять коммутацию тока таким новления тока при заданной величине индуктивности образом, чтобы было обеспечено достаточно высо- обмотки (1н), активном сопротивлении её (Я0), дли-
кое быстродействие при допустимых затратах элект- тельности фронта нарастания тока ^фр) и заданной
рической энергии источников постоянного напряже- величине тока в установившемся режиме (1уст) или
ния. В этом случае возникают известные несовместимые требования, когда необходимо одновременно __ _____ _ _ _ ,Ш ^н^уст
^ н ^ энергии магнитного поля (^ =-)
обеспечить высокое быстродействие (высокую кар- 2
тину нарастания тока) и малое потребление электри- Способ 1. Увеличение быстродействия за счет
ческой энергии на создание магнитного поля. включения последовательно с нагрузкой балластного
В связи с этим возникает как задача обеспечить сопротивления (Я6). необходимую скорость установления тока в индук- На рис. 1 схематически изображен простейший
тивной нагрузке, так и задача гашения энергии маг- переключатель тока в индуктивно-активной нагрузке,
нитного поля, запасенной в этой индуктивной нагруз- состоящий из переключающего элемента К, источ-
уст'
2
