ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ § 1.1. Идеальный цикл дизеля 7 страница

управления, панель мест­ного управления также с двумя электронными бло­ками А и В и модулями на каждом цилиндре. Перевод мощных двига­телей на электронное управление потребовал не только поиска и разра­ботки программ управле­ния, высоко надежных средств электроники, но и радикального решения по замене мощных меха­нических приводов. Дос­таточно сказать, что при­вод топливного насоса

в стандартном варианте испытывает весьма большие нагрузки, если учесть, что в мощной машине в цилиндр за цикл подается около 200 г. топлива, сжатого до 80-90 МПа. Высокие нагруз­ки приходятся и на привод выхлопных клапанов. Поэтому един­ственно верным решением было применить в качестве силовых передач гидропривод (МАН-БВ), либо аккумуляторную систему топливоподачи, как это сделала фирма Зульцер.

Схема системы топливоподачи с гидроприводом представ­лена на рис. 3.1-26. В число основных компонентов системы входят:

• Самоочищающийся 10 микронный фильтр тонкой очист­ки масла, необходимость в котором определяется более высоки­ми требованиями к используемому в гидроприводе маслу.

• Гидронасосы, использующие масло из общей системы смазки двигателя и поднимающие его давление до 17,5 МПа (электроприводные и применяемые при пуске двигателя) и до 25 МПа с приводом от двигателя, берущие на себя снабжение дви­гателя маслом во время его работы. Масло направляется в ак­кумулятор (рис. 3.1-26), давление в котором поддерживается
путем изменения производительности гидронасосов, находя­щейся под управлением электронных блоков. Из аккумулятора масло направляется к установленным на каждом рабочем ци­линдре гидроцилиндрам-усилителям привода ТНВД и выхлоп­ного клапана, включающим блок распределения с гидравличе­скими аккумуляторами и электронно-управляемыми, пропор­циональными, быстродействующими управляющими клапанами положения (см. рис. 3.1-27 и 3.1-28). В задачу последних входит управление фазами и давлениями топливоподачи, фазами дви­жения выхлопного клапана.

пошошсосы 1фюож»1» >л»Х1ро.

Рис. 3.1-26. Схема гидросистемы масла Рис. 3.1-27. Сервоприводы ТНВД и выхлопного клапана

Электронное управление и гидропривод топливного насоса

Топливный насос высокого давления в сравнении с тради­ционными конструкциями механически значительно проще. В нем отсутствуют механический привод плунжера, (заменен на гидропривод), механизм управления фазами подачи топлива, механизм VIT. Плунжер представляет собой гладкий поршень без косых кромок, что существенно упрощает технологию его изготовления и повышает ресурс. Масло из аккумулятора через управляющий клапан, активизация которого осуществляется электронным блоком, попадает в полость над гидропоршнем. Воспринимаемое им усилие, будучи усиленным в 4,47 раза (от­ношение площадей F_en / F_m = 4,47), передается поршню- плунжеру топливного насоса, осуществляющему сжатие топли­ва до заданных процессором давлений в 50-100 МПа и подачу его к форсункам.

Топл. шине траль ннзк.дыл.

Возжрат топл. —jЈ“jes- Впрыск

ToiULmcoc

Л

поршень гндроуенл поршень ТНВД

Рис. 3.1-30. Влияние характера впрыска на изменение давлений в цилиндре

Система электронного управления фирмы Зульцер

В 1998 г. были начаты стендовые испытания полноразмер­ного двигателя с электронным управлением. В январе 2001 г. первый промышленный двигатель 6RT-flex 58Т-В прошел ус­пешные испытания и позднее был установлен на судне. Система электронного управления Зульцер во многом сходна с системой МАН-Б.В. Управление системами топливоподачи, выхлопных и пусковых клапанов осуществляется электронным блоком управления, получающим сигналы от многочисленных датчи­ков и, прежде всего, - датчика положения коленчатого вала (см. рис. 3.1-31). Существенное отличие от системы МАН за­ключается в отсутствии гидропривода ТНВД. Применение ак­кумуляторной системы топливоподачи исключило необходи­мость в сервоприводе ТНВД с помощью сжатого до высоких давлений масла, что в известной степени упрощает систему. Для сжатия топлива до давлений 100 МПа используются топливные насосы золотникового типа, давно доказавшие свою высокую надежность. Привод их осуществляется от шайб, профиль кото­рых включает несколько кулачков, что обеспечивает необходи­мую производительность.

Сжатое до 100 МПа топливо поступает в аккумулятор, представляющий собой толстостенную трубу, протянувшуюся вдоль всего двигателя несколько ниже крышек цилиндров. Для исключения динамического воздействия волн давления, которые могут возникать в аккумуляторе, в нем расположено устройство для их демпфирования.

Управление топливоподачей осуществляется установлен­ным на каждом цилиндре блоком управления, получающим ко­мандные сигналы от микропроцессора WEGS 9500. Под дейст­вием этих сигналов быстродействующие управляющие клапаны открывают или закрывают доступ топлива к стандартным фор­сункам. В функции блока входит управление фазой начала по­дачи, количеством впрыскиваемого топлива и формой кривой подачи (практически - законом подачи). Интересно, что распре­деление топлива, включая моменты и форму кривой подачи, по каждой из трех форсунок осуществляется независимо и работа каждой из них может быть запрограммирована индивидуально, либо идентично.

Следует также отметить, что фирма Зульцер первой при­менила аккумуляторную систему топливоподачи для работы на тяжелых топливах. Для исключения воздействия горячего тяже­лого топлива на расположенные в блоке управления быстродей­ствующие управляющие клапаны в них используется сервопри­вод. Масло для него под давлением 20 МПа поступает из акку­мулятора гидромасла, одновременно используемого для серво­привода выхлопных клапанов. Масло в аккумулятор поступает от гидронасосов, работающих от того же привода (шестеренный привод от коленчатого вала), что и топливные насосы.

Управление фазами открытия и закрытия выхлопных кла­панов осуществляется микропроцессором через индивидуаль­ные блоки управления, имеющие в своем составе быстродейст­вующие клапаны, аналогичные тем, что используются для управления топливоподачей. Устройство сервопривода выхлоп­ных клапанов не отличается от ранее использовавшегося в дви­гателях RTA.

Применявшаяся ранее система контроля и диагностики технического состояния, разработанная на базе экспертного анализа, включена в новую систему электронного управления двигателем. Это позволяет сегодня автоматизировать процесс управления двигателем и оптимизировать его работу без вмеша­тельства человека.

В целях обеспечивания устойчивых оборотов на самом ма­лом ходу в системе управления предусмотрена возможность по­следовательного включения каждой из трех форсунок в преде­лах каждого цилиндра, либо работы на двух или даже одной форсунке. Сокращение числа работающих форсунок приводит к увеличению продолжительности и устойчивости подачи. В ито­ге фирмой обеспечена возможность устойчивой работы двига­теля при числе оборотов 10-12% от номинала.

§ 3.2. Смесеобразование

В отличие от карбюраторных двигателей, где смесь топли­ва и воздуха осуществляется в карбюраторе, за пределами ра­бочего цилиндра двигателя, в дизелях сжимается чистый воздух, и смесь топливо-воздух образуется в камере сгорания при впры­ске в нее топлива. Малое пространство и весьма малое время впрыска (менее 20° п.к.в.) длительное время ограничивали воз­можности конструкторов и к общепринятому сегодня непосред­ственному впрыску топлива шли довольно длительное время. Еще Р. Дизель пытался вводить в камеру сгорания топливо, с помощью насоса высокого давления, однако его устремления при создании топливного насоса потерпели неудачу. В 1913 г. он писал: «Сконструировать насос на такую незначительную подачу за столь короткий промежуток времени и на очень вы­сокое давление представляет почти непреодолимые затрудне­ния и кажется невозможным». После длительных напрасных усилий Р. Дизель прекратил эти опыты и в своем дневнике при­шел к заключению «непосредственное впрыскивание топлива в цилиндр невозможно».

С тех пор не прекращались попытки вводить топливо не­посредственно в камеру сгорания и обеспечивать в ней совер­шенное смесеобразование, при котором каждая мелкая частица
топлива была бы обеспечена соответствующим для ее сгорания количеством воздуха и смесь топливо-воздух равномерно рас­пределялась по объему камеры. Трудности реализации этого требования с использованием ТНВД и форсунок привели к про­изводству двигателей с компрессорным распыливанием топли­ва, при котором в форсунку вводились сжатый до 60 бар. воздух и топливо, сжатое в насосе до 60 бар. Воздуху в форсунке при­давалось вращательное движение и он, захватывая топливо вме­сте с ним впрыскивался в цилиндр. Двигатели оборудовались мощными компрессорами, обычно встраиваемыми в один ряд с рабочими цилиндрами, и это существенно усложняло и удоро­жало их производство и эксплуатацию.

Двигатели малой размерности в целях облегчения воспла­менения и смесеобразования оборудовались калоризаторами, представлявшими собой чугунный колпак, прикрепляемый шпильками к верхней плоскости крышки. Колпак был неохлаж- даемым, более того перед пуском подогревался внешней горел­кой. Топливо впрыскивалось внутрь колпака и при соприкосно­вении с горячими стенками испарялось и воспламенялось. По­скольку воздуха в колпаке (калоризаторе) было недостаточно последующее сгорание происходило в основной камере, куда топливо с горящими газами врывалось с большой скоростью и благодаря этому хорошо перемешивалось с находящимся в ней воздухом.

Дальнейшее развитие идеи применения предварительного сгорания топлива в дополнительной камере и использования высоких скоростей истечения газов из этой камеры совместно с

несгоревшим топливом в основную камеру сгорания, где оно хорошо перемешивалось с находившемся там воздухом, использовалось в двигателях с предкамерным смесеоб­разованием (см. рис. 3.1-32).

Рис. 3.1-32. Двигатель с предкамерой:

1 - редкамера, 2 - клапаны, 3 - форсунка, 4 - основная камера сгорания.

Для того чтобы исключить потерю времени на подготовку топлива к самовоспламенению (температуры в предкамере до­вольно низкие) в высокооборотных двигателях в камеру встав­ляют свечи накала, от которых топливо воспламеняется. Ис­пользование предкамер, как и остальных видов разделенных камер, позволяет обеспечить сгорание при меньших значениях коэффициента избытка воздуха. Качество смесеобразования при этом меньше зависит от качества распыливания топлива, так как оно в основном определяется интенсификацией движения газов и воздушного заряда - отсюда меньше требования, предъявляе­мые к топливной аппаратуре - достаточно давление впрыскива­ния до 200 бар. Недостаток предкамер - большие потери тепла через стенки камеры в охлаждающую воду и затрудненный пуск при низких температурах окружающего воздуха.

Наряду с предкамерным смесеобразованием в быстроход­ных двигателях, а именно в них в силу малого времени, отводи­мого на смесеобразование, до сих пор еще идут по пути исполь­зования различных видов разделенных камер. Применяются вихревые камеры (рис. 3.1-33), камеры в поршне (рис. 3.1-34).

Вихревая камера (ее объем - 60% V_c) на такте сжатия за­полняется воздухом, и он внутри камеры приобретает враща­тельное движение. Топливо впрыскивается во вращающийся поток и благодаря этому обеспечивается хорошее смесеобра­зование. В камерах в поршне также используется вращение

воздушного заряда в камере поршня, создаваемое в головке на так­те сжатия. Топливо впрыскивается однодырчатой форсункой на донышко камеры и растекается по ее поверхности. Там оно посте­пенно испаряется, вовлекается вращающимися потоками возду­ха и хорошо с ним перемешивается. Скорость испарения и нача­

ло самовоспламенения определяются температурой головки поршня. Ее температурный режим регулируется интенсивно­стью струй масла, омывающего головку снизу от расположен­ных в картере сопел. К сожалению, рассмотренные пути интен­сификации движения воздуха с использованием разделенных камер неприменимы в двигателях с высоким уровнем форсиров­ки, мало- и среднеоборотных, так как ресурс и надежность дви­гателей с разделенными камерами ниже.

Нужно отметить, что одними из главных причин возникав­ших затруднений в организации качественного смесеобразова­ния при непосредственном впрыскивании топлива в камеру сго­рания являлись причины технологического характера, связан­ные с изготовлением высокопрецизионных деталей плунжерных пар топливных насосов и пар игла - направляющая форсунок. Сюда же следует отнести и сложность обеспечить высокое каче­ство сверления отверстий распылителей малого диаметра. Лишь в последние 10-15 лет изготовители топливной аппаратуры

	Рис. 3.1-35. Распределение факелов топлива по объему камеры

смогли обеспечить создание высоких давлений впрыска, ко­торые сегодня поднялись с 500-700 бар до 1400-1800 и даже 2000 бар. При таком высоком давлении удается обеспечить не только очень мелкое распыливание топлива, но необходимое распределение его по всему объему камеры сгорания. Отсюда и отпала необходимость использования в двигателях дополни­тельных камер и даже в высокооборотных двигателях перейти на непосредственный впрыск топлива.

Распыливание топлива форсункой зависит от физических свойств топлива, скорости топлива, приобретаемой в отверстиях распылителя форсунки, плотности воздуха в камере сжатия и пр.

С уменьшением вязкости и сил поверхностного натяжения топлива момент начала распада струи наступает раньше, струя дробится на меньшие капли.

Вывод - следите за вязкостью топлива, не допускайте ее повышения сверх 10—12 сСт.

С увеличением сопротивления (давления) воздуха распад струи начинается раньше, угол конуса струи увеличивается и длина сокращается. С уменьшением диаметра сопловых отвер­стий скорость истечения топлива увеличивается, благодаря уда­ру струи о плотную среду воздуха с поверхности струи отделя­ются мельчайшие капли, струя теряет резко очерченный контур и начинает распадаться на мельчайшие струйки, которые в свою очередь распадаются на мелкие капли.

Вывод - следите за диаметром сопловых отверстий, ко­торый благодаря эрозии с течением времени увеличиваются. Не используйте распылители, диаметр которых увеличился сверх 10% от номинального.

§ 3.3. Физические основы процессов самовоспламенения и сгорания топлива

Сгорание топлива в дизелях представляет собой процесс окисления молекул углеводородного топлива кислородом воз­духа с выделением теплоты. Химическим процессам окисления
топлива предшествуют физические: прогрев капель топлива от воздуха в камере сгорания и их испарение. Вследствие малых размеров капель распыленного топлива (средний диаметр ка­пель dk = 20-40 мкм) в факеле и высокой температуры воздуха в камере сгорания (более 500°С), эти процессы для каждой обра­зующейся при впрыске капли топлива составляют очень корот­кий временной интервал (менее 1 мс). Установлено, что процес­су самовоспламенения топлива предшествуют также подготови­тельные химические процессы - распад молекул и образование промежуточных продуктов предпламенного окисления. Физико­химическая подготовка топлива к сгоранию приводит к запаз­дыванию начала выделения тепла в цилиндре относительно на­чала подачи топлива форсункой.

На рисунке 3.6 показана индикаторная диаграмма судового среднеоборотного дизеля (л = 720 об/мин) в координатах р-(р. Здесь же показаны моменты начала и конца подачи топлива форсункой. Момент резкого возрастания давления в конце про­цесса сжатия, отмеченный на рисунке точкой НВС, принято на­зывать началом видимого сгорания топлива. Этот момент соот­ветствует началу интенсивного выделения тепла вследствие на­чала сгорания топлива. Угловой промежуток от начала подачи топлива форсункой до момента НВС, обозначенный на рис. 3.6 <pt_i9 составляет отмеченное выше запаздывание самовоспламене­ния топлива, поэтому его называют периодом задержки само­воспламенения топлива. Так как (pi = 6 пги то задержка самовос­пламенения по времени определяется формулой

<p_t =впт₁ Г, =^~. (3.1)

6 п

Для судовых дизелей значения T_i составляют 2-15 мс.

Период задержки самовоспламенения короче для тех топ­лив, которые термически менее устойчивы. Склонность к распа­ду и к образованию легко воспламеняющихся смесей зависит от структуры молекул углеводородов, составляющих топливо.

Топлива нефтяного происхождения представляют собой смесь большого числа углеводородов. С точки зрения способ­
ности к самовоспламенению в условиях дизеля их можно разде­лить на две группы: 1 - углеводороды, имеющие цепную струк­туру молекул (парафины); 2 - углеводороды с кольцеобразной структурой соединения атомов углерода в молекуле (аромати- ки). Структуры простейших молекул углеводородов представ­лены на рис. 3.7.

Углеводороды первой группы обладают наименее прочной связью углеродных атомов, поэтому легко самовоспламеняются в дизеле. Ароматические углеводороды (2 группа) отличаются большой прочностью молекулы, поэтому их способность к са­мовоспламенению мала.

Оценка способности топлив к самовоспламенению в дизеле осуществляется по его цетановому цислу (в дальнейшем - ЦЧ), смысл которого заключается в следующем. Если взять в разных пропорциях два чистых углеводорода первой и второй групп и провести испытание на двигателе их различных смесей, то пе­риод задержки самовоспламенения будет тем больше, чем больше в смеси ароматиков.

НИН

Н-с- с—с— н

I Т I н н н

Проппн

Ациклическое (цспео6ра»ное) соединение.

н н н

^ \ S \/ \

Н-с С-Н Н—С с с—н

И- k (L-н н—(i: & с—н

^V<NC"'

f / ' / X

н—с с с с—н

1 и Д ¹

н—с с с с—н

^vc с ^х с^

н

Б&яаал С_вН®

В качестве эталона наилучшей воспламеняемости принят углеводород цетан (Су*/^), ему присвоено ЦЧ=100; в качестве эталона наихудшей воспламеняемости принят ароматический углеводород а-метилнафталин (CwH₇CH₃), для которого ЦЧ=0.

Цетановое число смеси этих двух углеводородов определя­ется долей цетана в смеси. Очевидно, чем больше цетановое число топлива, тем оно лучше воспламеняется в дизеле и наобо­рот. Цетановые числа легких маловязких дизельных топлив оп­ределяются на специальной лабораторной дизельной установке (ИТ9-ЗД) путем сравнения их воспламеняемости с эталонными смесями цетана и а-метилнафталина.

Значения ЦЧ дизельных топлив составляют 50-60. Спо­собность к самовоспламенению у тяжелых высоковязких топлив (мазутов) ниже (их ЦЧ = 30-35) из-за большого содержания в них ароматических углеводородов. Для этих топлив оценка ЦЧ проводится косвенными методами, так как из-за их высокой вязкости лабораторная установка не может использоваться.

Период задержки самовоспламенения принято считать первой фазой процесса сгорания топлива. В обобщенном виде зависимость задержки самовоспламенения топлива в дизеле можно выразить следующим образом:

<Pi = f(_P->T,L(4,n), где р,Т - давление и температура воздуха в камере сгорания в момент начала подачи топлива форсункой.

Экспериментально установлено, что % нелинейно зависит от давления, температуры и ЦЧ. Увеличение давления, темпера­туры, ЦЧ приводит к сокращению и наоборот. С частотой вращения щ связан прямо пропорционально, поэтому повыше­ние оборотов двигателя приводит к его возрастанию.

На величину <$ влияют и другие факторы, например, кон­струкция и температура стенок камеры сгорания, движение воз­душного заряда и др. Этим объясняется различие величин де в двигателях различного конструктивного исполнения даже при одинаковых значениях параметров р,Т ,ЦЧ ,п. В зависимости от сочетания перечисленных факторов период задержки самовос­пламенения в судовых дизелях составляет: МОД - 3 +6°п.к.в.;

СОД -5 -г-15 °п.к.в. В высокооборотных дизелях <p_t может дости­гать 20 и более град, п.к.в.

Вторая фаза процесса сгорания - фаза быстрого сгорания топлива - начинается в точке НВС и завершается в момент дос­тижения максимального давления газов в цилиндре (точка z на рис. 3.6) К началу сгорания в цилиндр подана часть цикловой подачи топлива g_4l, которая зависит от величины (р_{ (при одно­фазном впрыске связь между ними примерно пропорциональ­ная). Большая часть g_4i к моменту самовоспламенения подготов­лена к сгоранию: испарилась, пары топлива смешались с возду­хом, в топливовоздушной смеси образовались химически актив­ные части молекул - радикалы.

Экспериментальные исследования показали, что первые очаги пламени возникают в тех зонах факела распыленного топ­лива, где концентрация паров топлива в воздухе близка к сте- хиометрической (т.е. локальный коэффициент избытка воздуха близок к единице). Поскольку таких зон в каждом факеле много и число факелов равно числу отверстий в распылителе форсун­ки, то самовоспламенение топлива в дизеле носит многоочаго­вый характер.

Сгорание подготовленной топливовоздушная смеси про­текает по законам химической кинетики с очень высокой скоро­стью, намного превышающей скорость физических процессов подготовки топлива к сгоранию в факеле: испарения капель и взаимодиффузии паров топлива и воздуха. Поэтому горючая смесь, подготовленная за период задержки самовоспламенения, выгорает в течение 10-20° п.к.в., определяя продолжительность фазы быстрого сгорания топлива.

Интенсивность сгорания во второй фазе оценивают сред­ней скоростью нарастания давления при сгорании — w_cp, кото­рая определяется как отношение приращения давления от мо­мента НВС до точки z к продолжительности второй фазы в° п.к.в., а также степенью повышения давления газов в цилиндре Л= р_г/Рс, которые называют показателями динамичности рабо­чего цикла. Величину w_cp определяют по индикаторной диа­грамме (см. рис. 3.6)

™_ср=^~ = ^{Fz Г Р}~ • (3-2)

^А<Р <Рг + <Р„ес

Величина w_cp показывает, на сколько бар повышается дав­ление при повороте коленчатого вала на 1 градус в среднем за фазу быстрого сгорания. Чем ее величина больше, тем «жестче» процесс сгорания.

Для МОД Wcp — 2-3 бар/°п.к.вдля СОД w_cp — 3-4 бар/°п.к.в. и для ВОД Wcp - 6-8 барРп.к.в. При больших значениях w_cp ра­бота двигателя становится жесткой, появляются стуки в цилин­дре, увеличивается износ деталей.

Очевидно, что динамические показатели связаны с величи­ной (рс. чем он больше, тем больше будет g_4i, тем большая доля цикловой подачи сгорит во второй фазе, тем выше будут значе­ния X и w_cp, и наоборот.

Третья фаза процесса сгорания длится от момента дости­жения p_z в цилиндре до полного выгорания топлива. В отличие от точек НВС и z, момент окончания сгорания топлива по инди­каторной диаграмме определить невозможно. Расчетными мето­дами с использованием экспериментальных диаграмм установ­лено, что в судовых МОД и СОД продолжительность третьей фазы составляет 30—40° п.к.в. Подача топлива, как правило, в начале третьей фазы процесса сгорания еще продолжается, в камере сгорания располагаются горящие топливные факелы, достигшие своего максимального размера.

На рисунке 3.8 показан кадр, снятый скоростной кинока­мерой на исследовательском четырехтактном высокооборотном дизеле, показывающий горящие топливные факелы в конце процесса впрыска топлива. Фотография факела, расположенного справа, обработана прибором, который по яркости пламени оп­ределяет его температуру.

Распылитель форсунки . 2 3 Рис. 3.1-39. Структура и температурные зоны горящего топливного факела: 1 - f = 2900°С; 2 - t = 2700°С; 3 - t = 2500°С; 4 - t = 2300°С

Значительная часть воздушного заряда в силу неравномер­ного распределения топлива по объему камеры сгорания и ма­лого времени, отводимого на смесеобразование и сгорание, не участвует в сгорании. Температура воздуха вне топливных фа­келов существенно ниже (порядка 800-1000°С), чем в зонах го­рения. Таким образом, в реальном рабочем процессе дизеля имеет место высокая степень неоднородности концентраций топливовоздушной смеси и температур по камере сгорания. В связи с этим температура газов и коэффициент избытка воз­духа, используемые при расчете рабочих процессов дизелей (в отличие от давления газов), являются условными параметра­ми, усредненными по камере сгорания.