Проектирование и моделирование двигателя внутреннего сгорания

 

Для сравнения вариаций форм камер сгорания охарактеризуем процессы смесеобразования.

 

Подавляющее большинство  камер сгорания имеет форму тел  вращения. Если топливо распыливается в объеме камеры сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой, то смесеобразование называют объемным.

 

Объемное смесеобразование. Оно осуществляется в однополостных (неразделенных) камерах сгорания, имеющих  малую глубину и большой диаметр, характеризуемый безразмерной величиной - отношением диаметра камеры сгорания к диаметру цилиндра: dк.с./D = 0,75…0,85. Такая камера сгорания располагается обычно в поршне, причем оси форсунки, камеры сгорания и цилиндра совпадают. При объемном смесеобразовании прогрев и испарение топлива происходят в основном за счет теплосодержания части заряда, охваченной струями топлива. Так как скорость испарения зависит от упругости паров топлива, а последняя помимо свойств топлива определяется температурным режимом испарения, то большое значение имеет распределение топлива в объеме сжатого заряда. Последнее оказывает влияние также на условия воспламенения и горения топлива.

 

Угол конуса топливных  струй обычно не превышает 20°. Для  обеспечения полного охвата струями  всего объема камеры сгорания и использования  воздуха число сопловых отверстий  должно быть ic = 360/20 = 18.

 

Величина проходного сечения  сопловых отверстий fс определяется типом и размерами дизеля, существенно влияет на продолжительность и давление впрыскивания и ограничена условиями обеспечения хорошего смесеобразования и тепловыделения. Поэтому при большом числе сопловых отверстий их диаметр должен быть небольшим. Изготовить точно отверстия малого диаметра трудно. Сложна также эксплуатация дизеля с распылителями, имеющими малый диаметр сопловых отверстий. В частности, интенсивнее происходит уменьшение проходного сечения сопловых отверстий из-за отложения на их поверхности кокса, поэтому целесообразно применение меньшего числа отверстий, чем это следует из условия полного охвата струями объема камеры сгорания. При этом для обеспечения полного сгорания топлива воздух приводится во вращательное движение тем более интенсивно, чем меньше число сопловых отверстий, так как в этом случае заряд за характерный промежуток времени, принимаемый обычно равным продолжительности впрыскивания топлива, должен повернуться на больший угол. Достигают этого применением винтового или тангенциального впускного каналов, а также экранированием впускного клапана или его седла (рис. 1, а-г).

 

 

Рис. 1 - Схемы, иллюстрирующие методы создания в процессе впуска вращательного движения заряда в  цилиндре: а - тангенциальный впускной канал и эпюра изменения тангенциальной скорости заряда вдоль диаметра цилиндра; б - винтовой канал; в - клапан с экраном; г - экран на седле клапана; д - тангенциальные продувочные окна и эпюра изменения  тангенциальной составляющей скорости, движения заряда вдоль диаметра цилиндра двухтактного дизеля

 

 

Каждое из конструктивных решений, предназначенных для четырехтактных двигателей, обеспечивает преимущественное поступление воздуха в нужном направлении (через определенную часть проходного сечения в клапане). Если ось потока, поступающего в этом направлении, не пересекает оси цилиндра, то в результате взаимодействия струй между собой и со стенками цилиндра создается вращательное движение всего заряда. Тот же эффект в случае двухтактных дизелей достигается тангенциальным направлением осей продувочных окон.

 

Для четырехтактных дизелей  наиболее эффективно использование  винтовых каналов. Отливка головки  цилиндра при этом оказывается сложной.

 

Определенные трудности  связаны с обеспечением идентичности формы и расположения каналов  в процессе производства. При эксплуатации следует принимать меры к предупреждению накопления заметных отложений на стенках  каналов.

 

При подходе поршня к ВМТ  заряд из объема, расположенного над  вытеснителем поршня, перетекает в  камеру сгорания. Приведенный на рис. 2, а характер перетекания обусловлен взаимодействием сил вытеснения заряда, центробежных сил и сил  трения.

 

 

 

 

Рис. 2 - Схемы перетекания  и движения заряда в камере сгорания: а - перетекание вращающегося заряда из надпоршневого пространства в камеру сгорания; б - пространственное движение заряда в камере сгорания

 

 

При соответствующем соотношении  между силами заряд перетекает из надпоршневого пространства в камеру сгорания как бы послойно непосредственно у кромки камеры сгорания и движется вдоль ее стенки. Сложение скоростей вращательного движения заряда, созданного при впуске, и вытеснения заряда при сжатии вызывает движение заряда. Процесс перетекания связан с определенными потерями энергии вращательного движения, которые тем больше, чем больше исходная энергия вращательного движения заряда при впуске и меньше отношение dк.с./D. В результате перетекания заряда в камеру, имеющую диаметр меньше диаметра цилиндра, скорость вращения заряда увеличивается. Из-за отмеченных потерь энергии это увеличение происходит в меньшей степени, чем следует из закона сохранения момента количества движения, однако ускорение вращения заряда больше при меньших значениях dк.с./D . Для рассматриваемого случая объемного смесеобразования ускорениe вращения заряда при вытеснении его в камеру сгорания невелико, так как диаметр камеры сгорания лишь незначительно меньше диаметра цилиндра.

 

Заряд в цилиндре и камере сгорания движется по сложным пространственным траекториям. Помимо особенностей втекания заряда в цилиндр через клапан (продувочные окна) на характер движения заряда влияют переменная скорость перемещения  поршня и перетекание заряда из объема над вытеснителем поршня в камеру сгорания. В случае камер объемного  смесеобразования наибольшее влияние  на процессы смесеобразования оказывает  тангенциальная составляющая скорости wt, направленная по касательной к окружности камеры сгорания. Другие составляющие малы, и их влияние невелико. В пределах камеры сгорания величина wt растет от центра к периферии, т. е. заряд вращается «как твердое тело». Над вытеснителем поршня wt убывает к периферии. Создание вращательного движения заряда при впуске приводит к уменьшению эффективного сечения клапана и снижению наполнения, причем тем большим, чем больше необходимая интенсивность вращения заряда. На рис. 5 приведена взаимосвязь между максимальным значением тангенциальной скорости wt max движения заряда и коэффициентом наполнения ηv. Увеличение wt max вызывает уменьшение ηv, более интенсивное при больших диаметрах камеры сгорания.

 

При большом отношении  dк.с./D, учитывая малое ускорение вращения заряда при вытеснении его в камеру сгорания, чтобы избежать значительного падения наполнения, используют относительно большое число сопловых отверстий (6 - 10). В рассматриваемом случае наибольшее значение скорости движения заряда не превышает 12-15 м/с.

 

Смесеобразование в разделенных  камерах сгорания. Разделенные камеры сгорания состоят из вспомогательной и основной полостей, соединенных горловиной. В настоящее время применяют в основном вихревые камеры сгорания и предкамеры. Наименование вспомогательной полости (камеры) здесь распространено на всю камеру сгорания. Принципиально различен для рассматриваемых камер сгорания характер движения заряда в дополнительной камере. В случае вихревой камеры сгорания ось соединительной горловины направлена по касательной к внутренней поверхности сферической или цилиндрической вихревой камеры сгорания. Поэтому в последней создается направленное вихревое движение заряда. Скорость перетекания заряда через горловину и близкая к ней максимальная скорость движения заряда в вихревой камере достигают 100-200 м/с в зависимости от относительной величины объема вихревой камеры сгорания (Vв.к / Vс) и относительной величины проходного сечения горловины (fг / Fп) (Fп- площадь поршня). Топливо впрыскивается через штифтовый распылитель в направлении.

 

Иногда для облегчения запуска применяют два сопловых отверстия, причем одно из них подает топливо в зону объема заряда с  наибольшей температурой. Особенно велика доля топлива, подаваемого через  это отверстие на пусковом режиме.

 

Движущимся зарядом топливо, поступающее из форсунки, отжимается к стенке вихревой камеры сгорания. Таким образом, и здесь имеют  место элементы пристеночного смесеобразования. Нижнюю часть вихревой камеры нередко  выполняют съемной теплоизолированной. Температура горловины вихревой камеры может доходить до 600- 650° С. Воздух, протекающий через нее, дополнительно  нагревается, что способствует интенсивному смесеобразованию. Интенсификации смесеобразования способствует и то, что топливо  приходит в соприкосновение с  горячей съемной частью вихревой камеры сгорания. С ростом частоты  вращения тепловой режим вихревой камеры сгорания и находящегося в ней  заряда возрастает, что способствует ускорению смесеобразования и предпламенных реакций. Так как обычно объем Vв.к < (0,5 - 0,6) Vс , то в вихревой камере, куда подается вся порция топлива, на режимах больших нагрузок создается обогащенная смесь. Естественно, здесь невозможно полное сгорание топлива. В результате воспламенения давление в вихревой камере повышается. Горящий заряд начинает перетекать во вторую основную полость камеры сгорания, выполненную в виде фасонной выемки на поршне (рис. 3, а), где сосредоточена значительная часть еще не использованного для горения воздуха. При правильном выборе формы и расположения обеих полостей камеры сгорания и горловины в основной полости камеры сгорания происходит быстрое и достаточно полное догорание топлива.

 

 

Рис. 3 - Разделенные камеры сгорания: а - вихревая (на верхней проекции показано направление перетекания  заряда из основной полости в вихревую камеру при сжатии, на нижней - из вихревой камеры в основную при расширении); б - вихревая и распылитель типа «Пннтакс» со вспомогательным пусковым распиливающим отверстием; в - предкамера; г - предкамера малого перепада давления дизеля MWM

 

 

Относительные объем и  сечение горловины в случае предкамеры (рис. 3, в), как правило, меньше, чем  у вихревой камеры сгорания. Малые  fг / Fп вызывают повышенные потери на перетекание заряда между обеими полостями камеры сгорания. Имеются, однако, предкамеры малого перепада давлений (рис. 3, г), в которых Vп.к / Vc и fг / Fп близки к аналогичным значениям для вихревых камер сгорания, что вызвано стремлением уменьшить потери энергии на перетекание заряда и тем самым повысить экономичность предкамерного дизеля.

 

Направление осей отверстий, соединяющих цилиндр с предкамерой, таково, что при перетекании заряда на такте сжатия в последней создается  беспорядочное движение заряда. Скорости перетекания достигают 300 м/с и более. Впрыскивание осуществляется навстречу потоку заряда, поступающему из цилиндра. При сжатии давление в цилиндре больше давления в предкамере. Интенсивная турбулизация заряда в предкамере способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом, интенсивному смесеобразованию. В результате быстрого, но неполного сгорания обогащенной смеси давление в предкамере резко возрастает. Начинается перетекание горящего заряда в основную полость камеры сгорания, где благодаря интенсивному перемешиванию топливо быстро и достаточно полно догорает даже при малых избытках воздуха (а = 1,15 - 1,2).

 

Как и в случае вихревой камеры сгорания, повышение температуры  вспомогательной камеры и перетекающего  в нее заряда, происходящее при  увеличении частоты вращения и нагрузки, способствует интенсификации процесса смесеобразования и более быстрому воспламенению топлива. Несмотря на резкое повышение давления во вспомогательной  камере сгорания (особенно при предкамерном смесеобразовании), увеличение давления над поршнем происходит сравнительно медленно в результате постепенного перетекания горящего заряда из вспомогательной  камеры сгорания. Топливо догорает в основной полости большей частью уже после в. м. т., что не вызывает резкого повышения давления в  полости над поршнем.

 

Смесеобразование при  наддуве. При наддуве дизеля возрастает плотность, а нередко и температура  заряда в цилиндре. Воспламенение  ускоряется. Поэтому возникает необходимость  существенного увеличения пробивной  способности топливных струй. Для  этого обычно увеличивают диаметр  сопловых отверстий. Чтобы обеспечить высокие давления впрыскивания, одновременно увеличивают объемную скорость вытеснения топлива плунжером путем увеличения его диаметра и скорости. Сочетание  элементов системы топливоподачи  целесообразно подобрать так, чтобы  продолжительность впрыскивания топлива  при наддуве, когда требуется  подача больших порций топлива, была не больше, чем на дизеле без наддува, а давления впрыскивания были бы даже выше. При этом создаются благоприятные  условия для смесеобразования и  тепловыделения.

 

В случае газотурбинного наддува  плотность заряда в цилиндре увеличивается  с ростом частоты вращения и нагрузки, а продолжительность периода  задержки воспламенения по времени  сокращается. Чтобы обеспечить требуемое  проникновение топливных струй  за период задержки воспламенения, топливоподающая аппаратура должна обеспечивать более резкое увеличение давлений впрыскивания с увеличением частоты вращения и нагрузки, чем на дизеле без наддува.

 

При наддуве вследствие увеличения плотности заряда может возрасти снос капель топлива вращающимся  зарядом и увеличиться угол конуса струй. Скорость движения заряда не зависит  в заметной степени от давления на впуске. Оптимальное значение скорости движения заряда при наддуве оказалось  несколько меньшим, чем без наддува, в связи с отмеченным увеличением  сноса и угла конуса струй.

 

Выводы

 

 

1. Проанализировав выражение  эффективной мощности следует, что эффективная мощность двигателя может быть повышена в общем случае за счет:

 

а) увеличения рабочего объема цилиндра (увеличения линейных размеров диаметра цилиндра и хода поршня);

 

б) увеличения числа цилиндров;

 

в) увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя;

 

г) перехода с четырехтактного на двухтактный цикл;

 

д) повышения низшей теплоты  сгорания топлива;

 

е) повышения плотности  заряда и коэффициента наполнения (например, путем наддува, а также за счет улучшения организации газообмена, снижения сопротивлений на впуске и  выпуске, применения инерционного наддува  для увеличения дозарядки и т.д.);

 

ж) повышения индикаторного  КПД (за счет совершенствования процесса сгорания и сокращения потерь теплоты  топлива в процессах сжатия и  расширения);

 

з) повышения механического  КПД двигателя (например, за счет использования  высококачественных масел, уменьшения соприкасающихся поверхностей, сокращения насосных потерь и т.д.).

 

2. В случае разделенных  камер сгорания повышенными оказываются  тепловые и газодинамические  потери. Поэтому теплоиспользование  в дизелях с разделенными камерами  сгорания хуже. В то же время  применение таких камер сгорания  облегчает форсирование двигателя  по частоте вращения. Это связано  с интенсификацией смесеобразования  и предпламенных реакций при увеличении п.

 

В дизелях с разделенными камерами сгорания продолжительность  периода задержки воспламенения  меньше и выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала в меньшей  степени растет при увеличении п. Это обеспечивает возможность достижения благоприятного тепловыделения при  умеренных нагрузках на детали в  широком диапазоне частот вращения. Дизели с разделенными камерами сгорания могут работать бездымно и с допустимой токсичностью отработавших газов при  меньших избытках воздуха, чем дизели с однополостными камерами сгорания. Поэтому, несмотря на худшее теплоиспользование, эффективность их цикла обычно не уступает эффективности цикла дизелей  с неразделенной камерой сгорания.