Г.М. Кухаренок, В.И. Березун — БНТУ

COMBUSTION IMPROVEMENT OF DIESEL ENGINE

G.M. Kuharonak, V.I. Berazun — BNTU

Аннотация

Приведены результаты исследований рабочего процесса дизельного двигателя. Выделены три основных типа индикаторных диаграмм, позволяющие проводить оценку эффективности протекания внутрицилиндровых процессов. Даны рекомендации по выбору параметров рабочего процесса, обеспечивающих высокий уровень экологических и топливно-экономических показателей.

Введение

Направление развития современного дизельного двигателестроения сформировано главным образом требованиями по ограничению выбросов вредных веществ [1]. C учетом доступных на текущий момент технологий выбор направления стратегии снижения выбросов вредных веществ двигателя обусловлен нахождением компромисса между степенью усложнения конструкции дизеля и эффективностью очистки отработавших газов (ОГ) [2]. Безусловно роль основного вектора отдается эффективности протекания внутрицилиндровых процессов, для оценки которой необходимо рассматривать изменение экологических и топливно-экономических показателей в контексте протекания формы индикаторной диаграммы.

Основная часть

Проведены исследования дизельного двигателя 4ЧН11/12,5 мощностью 90 кВт с рециркуляцией отработавших газов (РОГ). Для оценки показателей рабочего процесса и направлений их совершенствования использовались расчетные индикаторные диаграммы.

В основу математической модели рабочего процесса положено первое начало термодинамики.

Текущие давления газов в цилиндре определялись по зависимости:

(1)

где B₀ – цикловая подача топлива;

H_u – низшая теплота сгорания топлива;

ΔX_n – относительное количество теплоты, выделившейся на участке;

ΔX_wn – относительные потери теплоты от газов в стенки;

P_n-1 – давление газов в начале рассматриваемого участка;

V_n-1, V_n – соответственно объёмы в начале и конце рассматриваемого участка;

К_п – показатель адиабаты.

Необходимые для расчета процесса сгорания значения Δx определялись с использованием алгоритма Н.Ф. Разлейцева [3], в котором были уточнены зависимости для определения коэффициентов а2 и А3, входящих в расчетные формулы для определения скорости догорания паров топлива и скорости тепловыделения после окончания впрыска:

(2)
(3)

где Р_впр – давление впрыска топлива;

Θ – угол опережения впрыска топлива;

ρ_р – степень рециркуляции отработавших газов.

При расчетах выбросы оксидов азота (NO_x) определялись по методике Зельдовича [4]:

Для определения дисперсных частиц (РМ) и температуры отработавших газов после турбины турбокомпрессора (T΄_r) в модели использованы полученные зависимости, связывающие:

(4)

-(T΄_r) с температурой отработавших газов при открытии выпускного клапана (T_{откр вып кл}):
(5)

Наличие рециркулируемых газов в цилиндре дизеля приводит к изменению параметров, обуславливающих условия протекания рабочего процесса. Меняется, прежде всего, температура конца впуска, так как температура рециркулируемых газов даже при условии их охлаждения выше температуры воздуха, поступающего в двигатель. На величину коэффициента избытка воздуха, рециркуляция также оказывает влияние, так с газами поступают не только продукты сгорания, но и оставшийся кислород с азотом, а наличие в смеси достаточного большого количества продуктов сгорания приводит к изменению коэффициента молекулярного изменения [2].

При проведении расчетных исследований в качестве оценочных параметров для определения направления совершенствования рабочего процесса были выбраны выбросы NO_x и РМ, а также удельный расход топлива (g_e). Диапазон варьирования регулировочных параметров ограничивался условиями обеспечения температуры ОГ до турбокомпрессора не выше 750 °С и выбросов оксидов азота не выше 12 г/кВт·ч, в результате чего была сформирована 27-ми ступенчатая последовательность изменения параметров топливоподачи и степени РОГ, изображенная на рисунке 1.

Рисунок 1. Последовательность изменения параметров топливоподачи и степени РОГ при моделировании рабочего процесса

Полученные индикаторные диаграммы в зависимости от соотношения максимального давления сгорания (P_z) и максимального давления сжатия (P_c) можно разделить на три основных типа (рисунок 2):

I — одногорбая диаграмма при P_z/P_c>1;

II — двугорбая диаграмма при P_z/P_c>1;

III — индикаторная диаграмма при P_z/P_c≤1 (с неявным пиком P_z).

Рисунок 2. Типы индикаторных диаграмм

Процесс изменения типа индикаторной диаграммы сопряжен с необходимостью снижения выбросов NO_x, причем основным регулировочным параметром, определяющим тип протекания процесса, является θ, который помимо влияния на величину P_z оказывает воздействие на его положение в координатах угла поворота коленчатого вала. Изменить тип диаграммы за счет перераспределения Р_впр и ρ_р при сохранении высоких значений Θ не эффективно с точки зрения получения более высоких топливно-экономических показателей. Вместе с тем организация РОГ позволяет получить уменьшение NO_x при индикаторной диаграмме с менее высоким индексом за счет снижения затрачиваемой работы на насосные ходы, выраженные в увеличении наклона передней части диаграммы на участке сжатия.

При изменении параметров в направлении снижения выбросов NO_x индикаторная диаграмма проседает в области активного сгорания. При этом площадь перераспределяется в область догорания, отдаляя полупериод сгорания от ВМТ тем самым смещая процесс в низкотемпературную зону.

Если характер перераспределения площади за счет снижения Рвпр и θ совпадает, отличаясь лишь интенсивностью процесса, то увеличение ρр при сохранении параметров Р_впр и Θ приводит к практически эквидистантному опусканию диаграммы в том числе и в области процесса сжатия. Это придает ρ_р особую роль в совершенствовании рабочего процесса двигателя.

Каждый тип индикаторной диаграммы можно также классифицировать по глубине изменения. Так предельная стадия процесса по I типу индикаторной диаграммы приближается к начальной стадии II, а начальная стадия процесса по III типу схожа с предельной II. Предельные стадии процессов любого типа индикаторной диаграммы образуются за счет снижения Р_впр при соответствующем уровне ρ_р, а начальные при максимально возможном Р_впр для рассматриваемого режима. Учитывая, что Р_впр определяет топливную экономичность, а тенденция перехода формы индикаторной диаграммы от I к III определяет направление достижения NO_x необходимо определить критерий выбора перевода индикаторной диаграммы с предельной стадии низшего индекса в начальную стадию высшего с точки зрения эффективности использования топлива. Организация глубокого процесса при любом типе индикаторной диаграммы сопряжена со снижением эффективности сгорания за счет нерационального распределения соотношения затрачиваемой и полезной работы цикла. При этом процесс начальной стадии низшего индекса будет эффективней процесса предельной стадии, протекающего по типу индикаторной диаграммы более высокого индекса. Определить уровень регулировочных параметров для перехода с низшего к высшему типу можно только путем выработки подхода поиска целевого решения.

Метаморфизм индикаторной диаграммы III типа выражается изменением формы из двугорбой диаграммы на начальной стадии в одногорбую диаграмму в предельной стадии с законом изменения схожим с процессом чистого сжатия. Процесс сгорания с P_z/P_c<1 позволяет организовать снижение NO_x ниже уровня 2 г/кВт·ч, однако значительное углубление в такой подход передает приоритет в управлении внутрицилиндровых процессов от регулировочных параметров к конструктивным, а определяющая роль источника жесткости процесса переходит из области сгорания в область сжатия. В этом случае конструктивные решения, выбранные для процесса с P_z/P_c>1, теряют свою эффективность. В частности, улучшение процесса предельной стадии III типа целесообразней осуществлять за счет снижения затрачиваемой работы (снижение степени сжатия, либо изменения фаз газораспределения) при снижении Р_с, чем за счет снижения Р_впр и Θ, увеличивающие этот параметр. Предлагаемый подход позволит организовать процесс с более совершенной формой индикаторной диаграммы. Однако такие шаги могут рассматриваться в контексте перевода конструктивных параметров в разряд регулируемых, либо организации альтернативных подходов сгорания с рассмотрением появления проблем, характерных для бензиновых двигателей, приводящих к увеличению эмиссии оксида углерода и углеводородов, а также пропуска воспламенения топлива. В рамках классического представления о рабочем процессе дизельного двигателя необходимо рассматривать вопрос нахождения предела глубины организации процесса по III типу индикаторной диаграммы в контексте принятых подходов выбора конструктивных параметров.

Общие подходы в изучении процесса сгорания длительное время отрабатывались при организации рабочего процесса по первому типу индикаторной диаграммы, однако в современных условиях для достижения низкого уровня выбросов вредных веществ характерен скорее ее частный случай, при котором начало сгорания осуществляется в области или после ВМТ.

В контексте современных подходов организации внутрицилиндровых процессов остается нерешенным вопрос одновременного снижения NO_x и РМ при сохранении высокой эффективности использования топлива, характерной для дизельного двигателя. Поэтому ввиду развития технологий очистки отработавших газов, стратегия снижения выбросов вредных веществ формулируется с учетом достижимой степени конверсии и уровня «сырого» выброса. Для рассмотрения направлений снижения выбросов целесообразно рассматривать направление снижения NO_x с учетом возможного роста РМ в пределах последовательного ограничения удельного расхода топлива. Индикаторная диаграмма в этом случае видоизменяется от I типа к III.

Снижение Θ до 2 град ПКВ на номинальном режиме гарантирует переход к III типу диаграммы при любых Р_впр и ρ_р. Причем со снижением Θ величина Р_с увеличивается, диаграмма становиться более полной за счет снижения скорости падения давления в цилиндре, а полезность повышения Р_впр падает. Ввиду чего потенциал уменьшения выбросов NO_x снижается за счет роста затрачиваемой работы и как следствие g_e.

Другой характер влияния на диаграмму по сравнению с уменьшением θ в контексте снижения NO_x наблюдается при увеличении ρ_р, что позволяет обеспечить соизмеримый выброс NO_x при больших Θ. Потенциал использования интенсивности впрыска становиться выше, приближая таким образом вид диаграммы к более совершенному типу, что позволяет при прочих равных условиях получить лучшие топливо-экономические показатели. Предел снижения NO_x при равнозначном расходе топлива с таким подходом также возрастает. Ограничивающим фактором является возможность организации высокой ρ_р в пределе уровня Р_впр, при котором возможно осуществить процесс сгорания без проседания P_z ниже Р_с.

В случае организации РОГ за счет снижения угла наклона линии сжатия появляется возможность реализации подхода минимизации g_e, который свойственен процессу, организованному по I типу протекания индикаторной диаграммы, причем в этом случае выбросы РМ несколько увеличиваются при снижении NO_x.

II тип индикаторной диаграммы является пограничным между I и III, а по целевому направлению снижения выбросов вредных веществ схож с III. Но для реализации стратегии снижения NO_x в контексте обеспечения высоких топливно-экономических показателей переводить процесс в предельную стадию III типа не целесообразно. И такой подход может заслуживать внимания при постановке задачи достижения финальной стадии законодательства выбросов NO_x только за счет рабочего процесса. Однако с учетом резкого повышения g_e и РМ подробное изучение этого направления на текущий момент является нецелесообразным.

Заключение

1. Выделены три основных типа индикаторных диаграмм: одногорбая, двугорбая и с неявным пиком P_z, позволяющие проводить оценку эффективности протекания внутрицилиндровых процессов. Основным регулировочным параметром, определяющим тип протекания рабочего процесса, является Θ, который помимо влияния на величину P_z оказывает воздействие на его смещение относительно ВМТ.

2. Установлено, что для совершенствования рабочего процесса граничные условия варьирования Θ должны обеспечивать протекание индикаторной диаграммы в пограничной области от I до III типа, а Р_впр и ρ_р обеспечивать уровень топливно-экономических показателей предельной стадии процесса не ниже начальной стадии процесса следующего индекса при сопоставимых выбросах вредных веществ.

Список использованных источников

1. Кухаренок Г.М. Обеспечение экологических показателей уровня ЕВРО-4 и ЕВРО-5 на автомобильных дизелях Минского моторного завода / Г.М. Кухаренок, С.П. Cевиздрал, В.И. Березун // Вести автомобильно-дорожного института. – Горловка, 2012. — №1(14). – С. 95-105.

2. Кухаренок Г.М. Снижение выбросов вредных веществ дизельных двигателей: [монография] / Кухаренок Г.М., Петрученко А.Н., Березун В.И. – М.: Новое знание, 2014. – 220 с.

3. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. — Харьков: Вища школа, 1980. – 169 с.

4. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М-Л, Изд. АН СССР, 1947, 148 с.

Кухаренок Георгий Михайлович — докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой двигатели внутреннего сгорания Белорусского национального технического университета e-mail: kux@tut.by.

Березун Виталий Иванович — инженер кафедры двигатели внутреннего сгорания Белорусского национального технического университета e-mail: vitaliy.berezun@gmail.com.