Содержание к диссертации
Введение
1. Впрыскивание и распыливание топлива в транспортных и автотракторных дизелях 9
1.1. Организация смесеобразования в дизелях 9
1.2. Конструктивные особенности современных систем топливоподачи дизелей 19
1.3. Совершенствование процессов впрыскивания и распыливания топлива 41
1.4. Задачи исследования 65
2. Влияние режима работы на характеристики топливоподачи и показатели дизеля 67
2.1. Режимы работы транспортных и автотракторных дизелей 67
2.2. Экономические и экологические показатели дизелей 73
2.3. Влияние режима работы дизеля на характеристики впрыскивания и распыливания топлива 83
3. Исследование влияния конструктивных особенностей распылителей форсунок на характеристики топливоподачи ипоказатели дизеля 93
3.1. Расположение распыливающих отверстий .93
3.2. Длина распыливающих отверстий и ее отн ошение к диаметру отверстий 139
3.3. Анализ взаимосвязи характеристик
топливоподачи с показателями дизеля 167
3.4. Число распыливающих отверстий и их
проходное сечение 171
4. Характеристики впрыскивания и распылив ания топлива на пусковых режимах дизеля 192
4.1. Исследование характеристик впрыскивания и распыливания топлива на пусковых режимах 192
4.2. Исследование влияния автоколебаний иглы форсунки на характеристики впрыскивания и распыливания топлива на пусковых режимах 206
4.3. Работа топливной аппаратуры дизеля на нефтяном топливе утяжеленного состава при пуске 231
5. Характеристики впрыскивания и распыливаґі&я при работе дизеля на нетрадиционных топливах 241
5.1. Облегченные нефтяные топлива 241
5.2. Спиртовые топлива 259
6. Математические модели процессов впрыскивания и распыливания топлива 271
6.1. Методы расчета процесса впрыскивания топлива 271
6.2. Расчет процесса впрыскивания топлива 284
6.3. Методы расчета процесса распыливания топлива 300
6.4. Расчет процесса распыливания топлива 337
Основные выводы 346
Список литературы
- Организация смесеобразования в дизелях
- Режимы работы транспортных и автотракторных дизелей
- Длина распыливающих отверстий и ее отн ошение к диаметру отверстий
- Исследование характеристик впрыскивания и распыливания топлива на пусковых режимах
Введение к работе
Эффективность использования транспортных средств и сельскохозяйственных машин определяется характеристиками установленных на них двигателей внутреннего сгорания. Дизельные двигатели, работающие с повышенными степенью сжатия и коэффициентом избытка воздуха, в большей степени, чем другие двигатели отвечают современным тенденциям развития транспортного и автотракторного двигателестроения - повышению агрегатной мощности, снижению удельного расхода топлива и токсичности отработавших газов (ОГ). Эти показатели в значительной степени зависят от конструкции системы топ-ливоподачи. Важнейшим элементом этой системы является форсунка, формирующая требуемые характеристики впрыскивания и распыливания топлива. От конструкции форсунки, в первую очередь - ее распылителя, зависят геометрические характеристики струй распыливаемого топлива, структура топливного факела, мелкость распыливания топлива, ряд других параметров процесса топ-ливоподачи.
При создании топливоподающей аппаратуры для транспортных и автотракторных дизелей необходима оптимизация названных параметров и характеристик на каждом эксплуатационном режиме работы двигателя. Это вызвано тем, что на режимах с пониженной частотой вращения и неполной подачей топлива показатели впрыскивания и распыливания топлива как правило ухудшаются. В частности, отмечается уменьшение длины и ширины топливного факела, ухудшение качества распыливания топлива, увеличение неравномерности распределения капель топлива по объему камеры сгорания. Это приводит к снижению эффективности процесса сгорания топлива и ухудшению экономических и экологических показателей работы дизеля.
Для достижения требуемых показателей дизелей характеристики и параметры процесса топливоподачи целесообразно корректировать в соответствии с режимом работы двигателя и условиями его эксплуатации, что позволяет осуществлять целенаправленное изменение указанных характеристик и парамет ров, обеспечивая тем самым требуемый характер протекания процессов топли-воподачи, смесеобразования и сгорания на каждом эксплуатационном режиме работы дизеля.
Таким образом, при разработке и совершенствовании систем тоштивопо-дачи возникает проблема выбора их конструкции и оценки влияния конструктивных особенностей топливной аппаратуры на показатели работы дизеля в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. В представленной работе рассмотрены основные типы и конструктивные разновидности систем то-пливоподачи, применяемых в транспортных и автотракторных дизелях, показана зависимость экономических и экологических показателей дизелей от характеристик системы топливоподачи, режима ее работы, свойств применяемого топлива, приведенные результаты экспериментальных исследований топливной аппаратуры показывают существенность влияния конструкции топливной аппаратуры, а методики ее расчета, подтвержденные результатами расчетных исследований процессов впрыскивания и распыливания топлива позволяют делать как прогнозные оценки, так и могут быть полезны в стадии проектирования топливной аппаратуры под конкретный дизель. Изложенные в работе материалы позволят более целенаправленно и обоснованно подойти к разработке систем топливоподачи, выбору конструкции и параметров топливоподающей аппаратуры и оценить эффективность ее использования в современных и перспективных отечественных дизелях, работающих на традиционных и альтернативных видах топ лив.
Организация смесеобразования в дизелях
История дизелестроения неразрывно связана с развитием смесеобразования от появления первых систем топливоподачи с компрессорным распиливанием топлива, распыливанием при низком давлении топливоподачи и калильном воспламенении смеси до предкамерного и вихрекамерного смесеобразования, объемно-пленочного смесеобразования с интенсивным вихревым движением воздушного заряда, объемного смесеобразования при высоком давлении впрыскивания и управляемого смесеобразования. Переход от одного способа смесеобразования к другому обычно осуществлялся с целью обеспечения новых требований, предъявляемых к двигателям внутреннего сгорания, и позволял повысить энергетические, экономические и экологические показатели дизельных двигателей.
Особенности смесеобразования на каждом этапе развития дизелестроения были связаны с областью имеющихся знаний и уровнем развития технологии производства на данном этапе. Особенно ярко это проявляется для дизелей массового производства, когда эффективность применяемых мероприятий взаимоувязана со стоимостью производимой продукции и вытеснением устоявшихся и отлаженных конструкций новыми техническими решениями.
Реализуемый способ смесеобразования определяет тип камеры сгорания (КС), применяемой в дизельном двигателе (рис.1.1) [132, 147, 156]. Выбор типа КС осуществляется с учетом тактности двигателя и его размерности, преимущественных режимов и условий эксплуатации, свойств применяемого топлива, требований к топливной экономичности дизелей, токсичности их ОГ, шумно-сти работы двигателя. В настоящее время в транспортных и автотракторных дизелях применяются разделенные (КС разделена на предкамеру или вихрека меру и основную камеру), неразделенные и полуразделенные КС. Причем разделенные КС используются, в основном, в дизелях малой мощности (для легковых автомобилей и малотоннажных грузовиков), а неразделенные КС - в дизелях средней и большой мощности (для грузовых автомобилей, автобусов и т.д.) [154, 156].
Предкамерное смесеобразование применяется в дизелях с диаметром цилиндров от 9 до 20 см и осуществляется, главным образом, благодаря интенсивному движению воздуха (со скоростями до 230-320 м/с), поступающего на такте сжатия из цилиндра двигателя в предкамеру, в которую через форсунку и впрыскивается топливо. Последующий этап смесеобразования реализуется за счет кинетической энергии смеси, перетекающей из предкамеры в основную камеру (рис.1.1,д). При этом предкамера, объем которой составляет 25-35 % от общего объема КС, соединена с основной КС одним или несколькими каналами, обеспечивающими сильное дросселирование потока топливовоздушной смеси. Такое дросселирование заряда, его последующее расширение и значительное вихреобразование, а также высокая температура поверхностей предкамеры, соединительного канала и днища поршня способствуют интенсификации процесса смесеобразования.
Вихрекамерное смесеобразование используется в дизелях с диаметром цилиндров 7-13 см. При этом, вихревая камера, имеющая объем 20-35 % от общего объема КС, сообщается с основной КС через тангенциальный канал, обеспечивающий сильное вихревое движение заряда (рис.1.1,е). Топливо, впрыскиваемое в вихревую КС через распылитель форсунки, распределяется по объему камеры, в основном, потоком вращающегося воздуха, затем полученная топли-вовоздушная смесь поступает в основную камеру. В вихрекамерных двигателях температуры стенок КС несколько ниже, а дросселирование при перетекании газов из вспомогательной в основную КС несколько меньше, чем у предкамер-ных двигателей.
Организация интенсивного движения воздушного заряда, действие горячих поверхностей и истечение горячих газов из дополнительной в основную камеру при предкамерном и вихрекамерном смесеобразовании позволяют применять топливоподающую аппаратуру с небольшими давлениями впрыскивания, не превышающими 20-35 МПа (давление начала подъема иглы форсунки /7ф0=11-13 МПа).
Режимы работы транспортных и автотракторных дизелей
Особенностью эксплуатации транспортных средств и сельскохозяйственных машин является разнообразие режимов работы установленных на них двигателей, их агрегатов и систем. Среди множества эксплуатационных режимов работы дизелей можно выделить установившиеся режимы, в которых параметры двигателя (положение дозирующей рейки hp, эффективный крутящий момент двигателя Ме, частота вращения коленчатого вала п и топливного насоса птн и др., рис.2.1) не изменяются во времени (межцикловые колебания параметров не учитываются), и неустановившиеся режимы с переменными параметрами [1, 2, 71, 163]. При этом установившиеся режимы характеризуются равенством эффективного крутящего момента двигателя Ме и момента сопротивления потребителя Мс, т.е. соответствуют точкам пересечения (точки D, Е, К и др. на рис.2.1,6) статических характеристик моментов Ме (кривые 1-6) и Мс (кривые 7-9). Неустановившиеся режимы обычно возникают при переходе двигателя из одной точки установившегося режима в другую, т.е. при переходных процессах. Наиболее характерными переходными процессами являются разгоны двигателя (например, из точки J в точку Е, рис.2.1,6) и набросы нагрузки (например, из точки К в точку Е или из точки L в точку С).
В зависимости от назначения дизельного двигателя он эксплуатируется на различных режимах. Для транспортных дизелей наиболее характерными условиями эксплуатации являются работа в условиях быстро изменяющихся нагрузок с преобладанием неустановившихся режимов (например, внутригородские перевозки) и работа при относительно стабильной нагрузке с преобладанием установившихся режимов (движение в условиях магистрали). В первом случае автомобильные двигатели до 90 % времени работают на неустановившихся режимах [2, 108]. Это обусловлено постоянно изменяющимися условия ми движения и частым воздействием на педаль (рычаг) управления со стороны водителя. Во внегородских (магистральных) условиях воздействия на педаль оказываются значительно реже и преобладают установившиеся режимы работы.
В зависимости от условий движения транспортного средства дизели могут иметь практически любые скоростные и нагрузочные режимы в области, ограниченной внешней скоростной характеристикой 1 (рис.2.1), предельной ре-гуляторной характеристикой 2 и регуляторной характеристикой 6 при мини мальной частоте вращения [10, 133]. Отдельную группу режимов составляют пусковые режимы, соответствующие участку а-b (рис. 2.1,а) пускового обогащения внешней скоростной характеристики 1, имеющей также участки коррекции d-e и отрицательной коррекции c-d [74, 108, 191]. Такой же диапазон частот вращения и нагрузок характерен и для автотракторных дизелей сельхозмашин, эксплуатирующихся в транспортных условиях. Дизели сельхозмашин, выполняющих технологические операции, работают, в основном, на режимах, близких к режимам предельной регуляторной характеристики 2 (рис.2.1) [16, 139].
Преобладание тех или иных скоростных режимов и степень использования мощности дизельного двигателя в эксплуатационных условиях определяются множеством факторов. В частности, распределение режимов работы транспортных дизелей зависит от условий эксплуатации транспортного средства, его особенностей (конструкция и число передач трансмиссии, масса перевозимого груза и др.), характеристики дороги, квалификации водителя и стиля вождения.
Типичным является приведенное на рис.2.2,а поле распределения режимов по частоте вращения и нагрузке (с указанием относительного времени работы в процентах в каждой области) дизеля КамАЗ-740 полностью загруженного грузового автомобиля КамАЗ-5320 общей массой 16 т в условиях интенсивного городского движения [63]. Основную долю времени (62 %) этот двигатель работает в диапазоне частот вращения 0,48-0,67 лном, а в области номинальной частоты вращения - не более 2,5 % (продолжительность работы дизеля на режиме номинальной мощности не превышает 0,4 %). Время работы дизеля на режимах с полной нагрузкой (режимы внешней скоростной характеристики 1 на рис.2.1) составляют около 30 % от общего времени эксплуатации. Затемненные участки на рисунке отмечают зону с временем работы более 50 %.
Длина распыливающих отверстий и ее отн ошение к диаметру отверстий
При организации процесса топливоподачи в дизелях размеры распыливающих отверстий форсунок выбирают таким образом, чтобы достичь наибольшей эффективности последующих процессов смесеобразования и сгорания. В частности, в дизелях с объемным смесеобразованием необходимо предотвратить попадание капель топлива на стенки камеры сгорания, обеспечить наиболее полный охват камеры сгорания струями распыливаемого топлива, требуемую мелкость распыливания, равномерное распределение капель топлива по объему воздушного заряда. При этом требуемая ориентация топливных струй в пространстве камеры сгорания достигается соответствующим расположением распиливающих отверстий, а параметры топливных струй - путем выбора диаметра и длины распыливающих отверстий.
Одним из путей совершенствования процессов впрыскивания и распыли-вания является оптимизация отношения длины распиливающего отверстия /р форсунки к его диаметру dp. Это объясняется особенностями истечения топлива через распыливающее отверстие. В современных дизельных топливных системах в процессе топливоподачи топливо от насоса под высоким давлением поступает в форсунку, воздействует на иглу 1 (рис.3.24,а), поднимая ее, протекает через образовавшийся между иглой 1 и корпусом 2 кольцевой зазор 3 и поступает в полость 4 под иглой 3, где устанавливается давление впрыскивания рвпр. Под этим давлением топливо и поступает в распыливающее отверстие 5 форсунки.
Непосредственно перед входом в распыливающее отверстие линии тока топлива искривляются (рис.3.24,6), причем, их кривизна увеличивается от оси отверстия к его периферии. В результате возникает неравномерное поле распределения давлений и скоростей потока топлива. При этом минимальные давления (и максимальные скорости) достигаются в периферийных участках пото ка, где локальные давления могут оказаться ниже давления насыщенных паров топлива.
Характерно, что сразу за входным сечением распыливающего отверстия поток топлива сужается и возникает вихревое течение топлива (отрыв, зона А на рис.3.24,6). Здесь зарождаются и нарастают кольцевые вихри, затем частично распадающиеся и увлекаемые топливом [80, 174]. В таком периодическом нестационарном течении возникают пульсации давлений и скоростей в зоне отрыва, распространяющиеся на весь поток топлива в распыливающем отверстии. Таким образом, зародившиеся у входной кромки распыливающего отверстия вихри, приводят к усилению возмущения потока топлива в этом отверстии, оказывающему влияние на последующий распад струи топлива. При этом форма линий тока, степень сжатия потока топлива (наименьший диаметр сжатия струи dc в сечении х, длина участка /с, рис.3.24,6), размеры зоны отрыва, турбулиза-ция потока топлива на выходе из распыливающего отверстия, параметры струи (длина L, ширина В, угол /? раскрытия топливной струи, рис.3.24,а), мелкость распыливания топлива зависят от отношения длины распыливающего отверстия /р к его диаметру с/р(см.рис.1.20, 1.22) [126, 130, 138, 169].
Такая зависимость характеристик впрыскивания и распыливания от отношения lvfdp оказывает влияние и на показатели работы дизеля. В частности, приведенные на рис. 1.22 данные (раздел 1.3) свидетельствуют о том, что оснащение дизеля типа ЧН 16/17 форсунками с различным отношением lp/dp позволяет оптимизировать длину струи распыленного топлива и обеспечить требуемые показатели в широком диапазоне режимов работы этого двигателя. Такая зависимость характеристик впрыскивания и распыливания топлива, экономических и экологических показателей дизеля от величины lv/dv подтверждается и рядом проведенных ранее экспериментальных исследований [126, 130].
Вместе с тем, вопрос о степени влиянии отношения /p/Jp на показатели процессов впрыскивания и распыливания топлива и, в конечном счете, на пока затели работы транспортных дизелей является недостаточно изученным. Поэтому авторами проведены дополнительные экспериментальные исследования форсунок с распылителями, отличающимися конструкцией проточной части, на безмоторных установках.
Исследование характеристик впрыскивания и распыливания топлива на пусковых режимах
Одним из требований, предъявляемых к транспортным дизелям, является улучшение их пусковых качеств. Эксплуатация дизельных двигателей в осенне-зимний период в нашей стране, где более 50 % территории относится к климатической зоне со средней температурой января ниже -20 С, представляет значительные трудности. Запуск двигателя в этих условиях является одной из наиболее трудоемких операций, связанных с большими затратами средств и времени. При запусках дизельных двигателей ежедневные простои техники по причине низкой температуры окружающего воздуха достигают 0,3...1,5 часа [65, 108]. Поэтому задача улучшения пусковых качеств двигателей любыми экономически оправданными способами относится к важнейшим задачам двигателе-строения.
Для улучшения пусковых качеств дизеля необходимо обеспечить требуемый характер протекания процессов топливоподачи, смесеобразования и сгорания не только на основных эксплуатационных режимах, но и на режиме пуска. При этом следует отметить, что пусковые режимы работы топливной аппаратуры дизеля существенно отличаются от остальных режимов. Для облегчения холодного пуска дизеля обычно увеличивают цикловую подачу топлива (в 1,5-2,5 раза) и уменьшают угол опережения впрыскивания (на 5-10 п.к.в.), что приводит, соответственно, к изменению характеристик распыливания и к повышению температуры воздушного заряда в цилиндре в период впрыскивания [65, 108]. В результате требования к процессам впрыскивания и распыливания топлива на пусковых и эксплуатационных режимах могут оказаться противоречивыми.
Работы по совершенствованию процессов впрыскивания и распиливания топлива в дизелях с неразделенными КС показывают, что определяющее влияние на смесеобразование на режиме пуска оказывают конструкция и техническое состояние форсунок и, в первую очередь, распылителей форсунок. Повышение пусковых качеств дизелей может быть достигнуто путем улучшения мелкости распыливания топлива, подаваемого в КС, и с более рациональным распределением топлива по объему камеры при уменьшении доли топлива, по-падаемого на стенки цилиндра [65, 90, 118]. Для этого необходимо обеспечить согласование геометрических характеристик струй топлива, распыливаемого на режимах пуска, с формой КС.
Для исследования геометрических характеристик струй распыливаемого топлива и мелкости распыливания на пусковых режимах проведены безмоторные испытания топливной системы разделенного типа дизеля ЗиЛ-645. Исследуемая система топливоподачи содержала топливный насос высокого давления, нагнетательные топливоды, и опытные форсунки конструкции ЗиЛ. Исследовались ТНВД фирмы R.Bosch модели РЕ 8A80D421 и топливный насос Motorpal типа PV 8А 8Р. Исследуемые ТНВД имели по восемь плунжеров с диаметром dn!f=% мм и полным ходом /гпл=8 мм. Характеристики профилей кулачков вала ТНВД представлены на рис.4.1. При этом кулачки выполнены тангенциальными. Кулачки ТНВД фирмы R.Bosch формируют диаграмму скорости плунжера Сп в виде треугольника с максимальной скоростью плунжера Сп тах-1 84 м/с, а кулачки топливного насоса Motorpal - в виде трапеции с Сп тах=\,16 м/с. Геометрическое начало нагнетания в ТНВД фирмы R.Bosch составляло /ггнн=3,0 мм, а в топливном насосе Motorpal - /zrHH=3,15 мм. Нагнетательные топливопроводы имели длину ZTp=450 мм и внутренний диаметр dT=l,6 мм. Форсунки выполнены с объемом топлива, сосредоточенного в форсунке Рф=500 мм3 (без распылителя), и давлением начала впрыскивания рф0=17,5 МПа.
Исследовалось два типа распылителей: № 88 фирмы R.Bosch и № 523 конструкции МАДИ-ЗиЛ. Распылитель № 88 выполнен с двумя распыливаю щими отверстиями, выходящими в колодец распылителя, с отношением /P/Jp=4,4. Распылитель № 523 также имеет два распыливающих отверстия 4 и 5 (рис.4.2), входные кромки одного из которых расположены на седле 7 иглы 8, а второго - в полости 6 под иглой (в колодце). Отверстия выполнены с отношением /p/Jp=3,3, лежат в одной плоскости и образуют с осью распылителя углы 28 и 22 соответственно. В процессе исследований испытывались две разновидности распылителей № 88 - "звонкий" распылитель с уменьшенной силой трения и "глухой" распылитель с увеличенной силой трения.
