ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ И СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ПРИСАДКИ ГАЗА К ТОПЛИВУ

Д.Д.Матиевскии, А.Е.Свистула

 

     Специфика горения топлива в цилиндре дизеля при большой неоднородности топливно-воздушной смеси по составу и температуре, высоких значениях давления и температуры предопределяет параллельно развитию процессу горения крекинг топлива и выделение свободного углерода в виде сажи с медленным догоранием последней на линии расширения с высоким коэффициентом несвоевременности сгорания. Количество выделяющейся сажи в цикле может служить косвенным индикатором качества процесса смесеобразования. Повышение экономичности требует реализации смесеобразования в дизеле таким образом, чтобы после воспламенения исключить глубокую неоднородность топливно-воздушной смеси и предотвратить образование сажи. При развитии свободного топливно-воздушного факела качество смесеобразования весьма низкое и существенно улучшить его посредством обычных мероприятий (изменение давления впрыскивания, диаметра сопел, параметров газовой среды и т.д.) не представляется возможным.

     Существенно уменьшить неоднородность в распределении топлива по окислителю можно за счет впрыскивания предварительно подготовленной газо­топливной смеси в оптимальной пропорции. Преимуществом такого впрыскивания является дополнительное диспергирование топлива и более качественное распределение его по окислителю за счет расширения пузырьков газа на выходе из сопловых отверстий распылителя, тем самым уменьшается вероятность образования зон, переобогащенных топливом, участвующих в крекинг-процессах при диффузионном сгорании, т.е. подавляется необходимое условие для образования сажи в условиях дизеля, которая является невыгодной как с экономической, так и с экологической точек зрения. В качестве газа можно использовать воздух. Из условия надежности работы топливной аппаратуры целесообразно готовить газо-топливную смесь непосредственно перед впрыскиванием. Опыт создания подобных устройств фирмами "Камминс" и "Комацу" подтверждает это. Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:

- теоретическое исследование влияния обеспеченности топлива окислителем на внутрицилиндровые процессы дизеля (тепловыделение, образование и выгорание сажистых частиц и др.), экономичность, выброс сажи с ОГ дизеля;

- разработка способа впрыскивания топлива с присадкой газа, опытной топливной аппаратуры, выполнение комплекса экспериментально-теоретических работ по исследованию закономерностей впрыскивания газо топливной смеси, развитию факела, особенностей работы опытной топливной аппаратуры;

- экспериментальное исследование внутрицилиндровых процессов и основных показателей рабочего процесса дизелей 1413/14 и 4410,5/12 при работе о опытной топливной аппаратурой;

разработка рекомендаций по прогнозированию результирующего сажевыделения, тепловыделения к формированию индикаторного КПД при впрыскивании газо-топливной смеси в цилиндр.

1. Расчетно-теоретическое исследование возможности повышения экономичности и снижения выброса сажи с ОГ дизеля при уменьшении сажевыделения в цилиндре дизеля посредством увеличения эффективности использования воздушного заряда цилиндра проведено на основе математической модели результирующего сажевыделения в цилиндре дизеля, разработанной в С-ПбГТУ под руководством профессора С.А.Батурина. Модель основана на высокотемпературных многостадийных механизмах образования сажистых частиц и их одновременного выгорания, содержание которой выражается следующей системой дифференциальных уравнений:

 

 

индексами обозначено: 1 - С14Н3о; 2 -С3Н6; 3 - СН4; 4 - С2Н4; 5 -С2Н2; 6 - Н2; 7 -любая инертная молекула, не принимающая участия в химическом реагировании; Ri -скорость реакций, Mi- концентрация.

     Модель позволяет прогнозировать текущую концентрацию сажи в цилиндре при известных характеристиках ввода топлива для любого нагрузочного режима. Состав топливно-воздушной смеси в зоне горения (пиролиза) в модели необходимо учитывать коэффициентом избытка воздуха αг в этой зоне. Очевидно, что αг будет отражать условия смесеобразования в камере сгорания, и при увеличении αг можно предполагать улучшение эффективности выгорания топлива с меньшим сажевыделением.

Для вычисления αг наибольший интерес представляет методика Н.Ф. Разлейцева, доведенная до численного решения и позволяющая связать зависимость коэффициента выгорания топлива χ(φ) с коэффициентом αг(φ):

Здесь величина ξΒ отражает степень эффективного использования воздушного заряда и задается по аппроксимирующей зависимости, вид которой определяется положением ее минимума (для дизеля с полуоткрытой камерой сгорания рекомендуется φzο = 0,33,. ξΒ0 = 0,45...0,55, причем, чем лучше качество смесеобразования, тем величина ξΒ0 больше). Связь между составом топливно-воздушной смеси в зоне горения αг(φ) ( или ξΒ(φ)), характеристиками подвода σ(φ) и выгорания χ(φ) топлива устанавливалась по обобщенному кинетическому уравнению:

А - постоянный для данного режима работы коэффициент.

     Определена чувствительность модели сажевыделения к изменению функций ζΒ(φ), χ(φ), σ(φ), при этом было получено снижение текущей концентрации сажи в цилиндре при увеличении степени использования заряда цилиндра вплоть до ξΒ(φ) = 1; при увеличении количества топлива, выгоревшего в первой фазе (относительная скорость сгорания аппроксимировалась двухэкспоненциальной зависимостью); при уменьшении промежутка времени между функциями σ(φ) и х(φ) искусственным смещением функции σ(φ). Проведенные расчеты показали важность взаимной увязки функций ξΒ(φ), χ(φ), α(φ) и точность задания положения σ(φ) при использовании модели результирующего сажевыделения.

     На рис. 1 приведены расчетные зависимости параметров рабочего процесса, сажевыделения и использования теплоты в цикле от эффективности использования воздушного заряда цилиндра, чем более однородная смесь образуется в процессе горения (при ξβο → 1), тем интенсивнее сгорание в цилиндре, раньше процесс выгорания сажи по скорости начинает опережать процесс ее образования; максимальная концентрация сажи Сmах снижается более чем на 20%, а концентрация на выхлопе Сr - на 20...40 % . На рис. 1 также показано изменение индикаторного КПД ηi цикла, составляющих неиспользования теплоты вследствие несвоевременности выгорания сажи δ и топлива δ, радиационного теплообмена δwл , коэффициента использования теплоты выгорающей сажи ηiс = δ /xc в зависимости от величины ξΒΟ. Изменение величины δ достигает 60% от общего увеличения ηi , а  δ может составлять более 70% в δ. С возрастанием ξΒ0 увеличение КПД ηi связано как с ростом ηic, так и с уменьшением хс.

 

Рис. 1. Зависимость параметров рабочего процесса, сажевыделения и использования теплоты в цикле от эффективности использования воздушного заряда цилиндра

 

      В результате анализом индикаторного КПД вскрыты причины его изменения и установлено существование потенциальной возможности его увеличения на 6...8%, за счет снижения всех составляющих неиспользования теплоты в цикле и главным образом за счет уменьшения несвоевременности и неполноты выгорания сажи и потерь от радиационного теплообмена.

     2. Для осуществления присадки газа к топливу была разработана опытная топливная система (А.с. № 1087681), позволяющая улучшить распределение топлива по окислителю.

     Основным элементом системы топливоподачи является форсунка, схема которой изображена на рис.2. Форсунка имеет магистраль подачи газа 1, содержащую обратный клапан 2 и смесительно-аккумулирующую камеру 3 с винтовой вставкой, и магистраль подачи топлива 5, 6.

 

 

Рис. 2. Опытная форсунка

 

      В конце впрыска под действием разгружающего хода нагнетательного клапана давление в полости 4 снижается, и газ, имея давление большее, чем остаточное давление дизельного топлива в трубопроводе, поступает через клапан 2 в смесительно-аккумулирующую камеру 3, где образуется газо-топливная смесь. При очередном набегании кулачка топливного насоса на толкатель давление топлива в системе превысит давление газа, клапан 2 закроется, поднимется игла форсунки, и подготовленная газо-топливная смесь через сопловые отверстия поступит в цилиндр дизеля, "взрывное" выделение газа из которой улучшит распределение топлива по окислителю.

     Расчетно-экспериментальное исследование опытной топливной системы проводилось с целью изучения влияния добавки газа на характеристику подачи топлива и развитие топливного факела, для чего разработана модель и уточнен метод гидродинамического расчета (работы Д.И.Астахова, Ю.Я.Фомина и др.).

     При составлении расчетной схемы было принято следующее: в полости насоса высокого давления и топливопроводе находится чистое топливо с характерными для него свойствами, в подигольной полости форсунки находится смесь топлива с газом, подчиняющаяся законам однородной газожидкостной смеси, тогда процессы, происходящие в полости форсунки, описываются                                  следующими

дифференциальными уравнениями:

Где        объемные скорости истечения газотопливной смеси соответственно в подигольную полость, в цилиндр дизеля, объемная скорость поступления газа в камеру смешения;

Рф, Ра, Vф, Va - давления и объемы надигольной и подигольной полостей распылителя; Ми, fu, z - масса, площадь поперечного сечения, перемещение иглы; ul -скорость топлива в выходном сечении трубопровода; ft - сечение трубопровода; Всм - сжимаемость газотопливной смеси; FT, Fnp  результирующие силы давления на иглу топлива, пружины.

     При интегрировании приведенных уравнений совместно с уравнениями движения топлива в нагнетательном трубопроводе использовались выражения для сжимаемости, распространения скорости звука, истечения, плотности газотопливной смеси, и принималось, что газ заполняет полость смешения мгновенно и занимает остаточный объем и объем, освобождаемый топливом при повышении давления. При проведении расчетов с использованием в качестве газа воздуха получена хорошая сходимость экспериментальных и расчетных данных. При увеличении массовой концентрации ε воздуха в топливе (рис.3) возрастает продолжительность впрыскивания φвпр , максимальное давление в форсунке Рφmax, уменьшается массовая скорость подачи смеси (dG/dφ )max

 

Рис. 3. Изменение параметров впрыскивания при увеличении ε

 

     Из-за большей сжимаемости смеси наблюдается увеличение запаздывания начала впрыска Δφнв Получены зависимости указанных параметров от диаметров сопловых отверстий dc и плунжера dn .

     Экспериментально найдены зависимости расхода добавки воздуха (газа) от частоты вращения кулачкового вала n (300...1000 мин-1), давления подаваемого воздуха (газа) Pr- (0...16 МПа), объема разгрузочного клапана Vp (20 - 100 мм3), давления начала подъема иглы форсунки Ро (5...20 МПа), нагрузочного режима двигателя. Показано, что с увеличением Рг, Vp, Pr/P0 концентрация воздуха (газа) в смеси возрастает, т.е., изменяя указанные параметры, можно оперативно управлять составом смеси.

     Показана стабильность работы топливной аппаратуры в широком диапазоне цикловых подач смеси с концентрацией воздуха ε до 5% по массе. Особенно заметно увеличение стабильности цикловой подачи на режимах частичной нагрузки и холостого хода по сравнению с серийной топливной аппаратурой.

     Для изучения развития топливного факела применялся метод скоростной кинорегистрации. Исследование проводилось на односопловом распылителе-имитаторе, в качестве добавки газа использовался сжатый воздух.

     Зафиксировано, что с увеличением концентрации газа (воздуха) в топливе уменьшается дальнобойность факела L и увеличивается его ширина В. Объем топливного факела VФ увеличивается на величину объема добавленного газа Vг при соблюдении условия Рг0 0.7 (рис. 4). Дано описание качественной картины изменения топливного факела при использовании добавки газа к топливу:

- контур факела приобретает каплевидность;

- не наблюдается заострения при его вершине, можно предположить, что в какой-то мере разрушается переобогащенная сердцевина струи;

- значительно увеличивается угол раскрытия факела (~ в 5 раз).

 

 

Рис. 4. Изменение параметров факела при увеличении ε

 

     Все это свидетельствует о возможности организации более качественного смесеобразования.

     Предполагается, что в результате одновременного увеличения продолжительности впрыскивания и объема топливного факела, что имеет прямо противоположное воздействие на индикаторный КПД цикла, имеется наличие максимума индикаторного КПД при оптимальной концентрации добавки газе к топливу.

     3. Для подтверждения полученных теоретических результатов выполнены сравнительные экспериментальные исследования показателей рабочего процесса с присадкой газа к топливу.

     На начальном этапе исследовалось влияние величины массовой концентрации воздуха в топливе на параметры рабочего процесса. Получено оптимальное значение концентрации воздуха в топливе ε = 3 % в широком диапазоне работы двигателя из условия максимальной экономичности. Определены оптимальные регулировки по углу начала впрыска: в опытном варианте необходимо геометрическое начало подачи осуществлять на 2 град.п.к.в. раньше. Путем замены присадки воздуха присадкой азота к топливу показано преимущественное "физическое" воздействие присадки на внутрицилиндровые процессы дизеля, т.е. достигается улучшение распределения топлива по окислителю за счет эффекта расширения газа на выходе из соплового отверстия.

 

 

Рис. 5. Нагрузочная характеристика дизеля 1413/14 при n = 1750 мин -1.

 

     Введение присадки воздуха в топливо ε 3% для режимов работы с частотой вращения вала n = 1300...1900 мин-1 и нагрузкой Pi = 0,5...1,6 МПа (например, рис.5) приводит к уменьшению расхода топлива на 4...5%, выбросов сажи с ОГ на 30...40 % и окислов азота на 20...25%. При этом несколько увеличивается динамика цикла, выражающаяся в росте (dP/dφ)таx и ΡMAX , из-за большего количества топлива, выгоревшего в первой фазе. Максимальная температура цикла ТМАХ становится ниже, как следствие уменьшения цикловой подачи топлива, обеднения смеси и снижения теплоты ее сгорания.

     Исследовано влияние присадки воздуха к топливу на характеристики сажевыделения и радиационного теплообмена. Установлено, что в опытном варианте текущая концентрация сажи в цилиндре дизеля снижается в среднем на 10... 15% (значение СMAX  уменьшается на 8... 10%) и, как следствие, получено уменьшение мгновенных радиационных потоков в среднем на 15...20%.

     Анализом индикаторного КПД выявлено, что использование добавки воздуха в топливо приводит к сокращению продолжительности сгорания, увеличению его полноты, уменьшению конвективного и радиационного теплообмена, росту текущего показателя адиабаты, благодаря понижению температуры и увеличению содержания двухатомных газов в продуктах сгорания из-за роста коэффициента избытка воздуха (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Зависимость составляющих баланса теплоты от нагрузки дизеля 1413/14.

 

Это определяет уменьшение составляющих неиспользования теплоты в цикле вследствие несвоевременности δ и неполноты δнп сгорания, теплообмена  δw, изменения температуры δT и состава δc рабочего тела. Наиболее существенно уменьшается несвоевременность сгорания δ  по причине уменьшения сажевыделения и несвоевременности выгорания сажи в цилиндре, что в значительной мере предопределяет рост индикаторного КПД4. Исследованиями подтверждено влияние добавки воздуха (газа) к топливу на эффективность использования воздушного заряда цилиндра ξΒ. Так, минимальное значение величины ξΒο возрастает с 0,42 до 0,61 при увеличении концентрации воздуха в топливе до ε = 5%.           Обработкой экспериментального материала получены зависимости, описывающие изменение координат минимума функции  ξΒο = f( ):

 

 

что дало возможность увязать в единый комплекс расчетные методы впрыскивания топлива с присадкой газа в цилиндр, рабочего процесса, результирующего сажевыделения в цилиндре и анализа формирования индикаторного КПД цикла при воздействии на рабочий процесс присадки газа (воздуха) к топливу.

 

     ВЫВОДЫ:

 

     1. Показано, что резервы повышения индикаторного КПД дизеля необходимо искать в интенсификации процессов смесеобразования и сгорания, позволяющей достичь уменьшения неоднородности в распределении топлива по окислителю, тем самым снизить результирующее сажевыделение в цилиндре.

     2. Вскрыт механизм влияния степени эффективного использования воздушного заряда на результирующее сажевыделение в цилиндре дизеля; установлена возможность увеличения индикаторного КПД на 6...8% за счет снижения всех составляющих неиспользования теплоты в цикле и, главным образом, за счет уменьшения несвоевременности и неполноты выгорания сажи и радиационной теплоотдачи.

     3. Разработана опытная система топливоподачи (А.С. № 1087681), позволяющая повысить эффективность использования  воздушного заряда за счет присадки газа к топливу. Установлено, что с увеличением присадки газа возрастает продолжительность впрыскивания и объем топливного факела, что имеет противоположное влияние на индикаторный КПД и предопределяет наличие его максимума при оптимальной величине присадки газа к топливу.

     4. При оптимальных расходах присадки воздуха к топливу для дизелей 1Ч13/14, 6Ч13/14, 4Ч10,5/12 достигнуто в среднем снижение удельного индикаторного расхода топлива на 4...5% (8...11 г/(кВт ч)), выхода окислов азота на 20...25%, текущей концентрации сажи в цилиндре в среднем на 10...15% и, как следствие, уменьшение выбросов сажи с ОГ на 30...40% , мгновенных радиационных потоков в среднем на 15...20%; при этом увеличилась жесткость работы дизеля (на 5%). Подтверждена определяющая роль уменьшения сажи в цикле и увеличение его экономичности (до 50% от общего эффекта увеличения   ηi ).

 

     ЛИТЕРАТУРА:

 

1. Матиевекий Д.Д., Свистула А.Е. Результаты исследования повышения топливной экономичности и снижения токсичности дизеля при использовании газообразной присадки к дизельному топливу // Пути снижения загрязнения воздушного бассейна выбросами ДВС. - М., 1985. -С. 63-68. - Деп, в ЦНИИТЭИтракторсельхозмаш 20.03.85, № 563то -85Деп.

2. Матиевский Д. Д., Свистула А.Е., Дудкин В. И. Повышение качества смесеобразования дазеля при использовании газообразных добавок к дизельному топливу // Проблемы форсирования и надежности тракторных и комбайновых двигателей. - Владимир, 1985. -С. 13-15.

3. Свистула А.Е., Матиевский Д. Д., Вагнер В.А. Повышение эффективности использования воздушного заряда с целью снижения выброса сажи и улучшения экономичности дизеля // Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания. - М.: МАДИ, 1986. -С. 182.

4. А. с. 1067681 СССР. МКИ3 F 02 Μ 25/10. Система питания двигателя внутреннего сгорания / А.Е. Свистула, Д.Д. Матиевский, А.Л. Новоселов и др. (СССР). -3556791/25-06; Заявлено 29.08.83. Опубликовано 23.04.84, Бюл. 15 // Открытия, изобретения. -1984. - № 15. - С. 116.