Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Зависимость удельного эффективного расхода топлива от угла наклонасопловых отверстий α для разных камер сгорания при работе дизеля 1-ПДГ4Дна режиме полной мощности- 193 -Таблица 18.Результаты расчета рабочего процесса дизеля 1-ПДГ4Д на режиме полноймощности, n=750 мин-1, с разными камерами сгорания и разными угламинаклона распыливающих отверстий αШтатная КС65α, град.be, г/кВт ч208,6774,5σo, %23,2σw, %0σs, %0,53σliner, %Мелкий Гессельман70207,177,619,700,0472,57577,58082,585207,5 208,3 208,3 208,6 210,2 217,177,1 74,6 76,7 78,7 80,68317,41 15,07 14,6 14,6 13,85,12,657,25,11 2,45 0,0200,09 0,25 0,64 1,23 2,468,365α, град.be, г/кВт ч210,3270,9σo, %25,2σw, %1,72σs, %0,78σliner, %Глубокий Гессельман70210,97742202,2575210,1079,814,702,7680210,1882,111,503,1285213,1485,45,1305,48α, град.be, г/кВт чσo, %σw, %σs, %σliner, %70206,7079,417,70,01075207,1078,915,32,75080207,5979,313,83,380,3885210,1979,812,91,312,7565207,3076,721,400Резкое увеличение расхода топлива при использовании штатной КС и КСтипа мелкий Гессельман при α > 800 обусловлено все тем же увеличением попадания топлива на зеркало цилиндра по мере приближения точки соударенияструи со стенкой к короне поршня.
На рис. 5.8. представлено изменение доли- 194 -топлива, попадающего на зеркало цилиндра σliner в зависимости от угла наклонатопливных струй для разных камер сгорания.Рис. 5.8. Изменение доли топлива попадающего на зеркало цилиндра взависимости от угла наклона топливных струй дляразных камер сгорания на режиме полной мощностиПри углах наклона сопловых отверстий не превышающих 800, камерыштатная и глубокий Гессельман дают близкие показатели рабочего процессадизеля (табл.
18, рис. 5.7), потому что в этих камерах очень незначительное количество топлива из пристеночных потоков достигает зеркала цилиндра, тогдакак в мелкой КС пристеночный поток, интенсивно развиваясь в радиальном направлении, всегда достигает зеркала цилиндра (рис. 5.8), заметно ухудшая экономичность (рис. 5.7).При приближении оси сопловых отверстий к горизонтальной плоскостипроисходит удлинение свободно развивающейся части струи и перераспределение топлива между разреженной оболочкой и пристеночным потоком (рис.5.9).- 195 -Рис. 5.9. Доли топлива, распределенные в разреженной оболочке струи σo и впристеночном потоке σw в зависимости от угла наклона сопел αВ целом перераспределение топлива между зонами имеет плавный характер, однако в штатной камере сгорания при α = 750 наблюдается «провал» в доле топлива, попавшего в разреженную оболочку струи.
Причина этого «провала» в резком увеличении количества топлива в зонах пересечения пристеночных потоков (рис. 5.10) при α = 750 в связи с попаданием струи на поверхностьпоршня под углом, близким к прямому, что вызывает более интенсивное развитие пристеночного потока в тангенциальном направлении (рис. 5.11).Рис. 5.10. Доля топлива в зонах пересечения пристеночных потоков σs взависимости от угла наклона сопловых отверстий (режим полной мощности)- 196 -Рис. 5.11. Конфигурация пристеночных потоков, распределение топлива позонам Sigm и скорость тепловыделения dx/φ дизеля 1-ПДГ4Д на режиме полноймощности со штатной камерой сгорания и углом наклона сопел α=750Существенное количество топлива в зонах пересечения пристеночныхпотоков вызывает заметный негативный эффект в том случае, если превышаетвеличину 10%.
Во всех же исследованных случаях он не превышает 7%, т.е. неоказывает существенного негативного влияния, что и подтверждается даннымирис. 5.7: разница в расходе топлива при использовании штатной и глубокой КСсоставляет в среднем 1 г/кВт ч. В целом, следует отметить, что камера сгораниятипа глубокий Гессельман имеет небольшие преимущества по сравнению с базовой КС: она менее чувствительна к углу наклона сопловых отверстий в зоне65÷80 градусов (рис. 5.6 – 5.8), предотвращая попадание топлива на зеркалоцилиндра и обеспечивая в среднем на 1 г/кВт ч лучшую экономичность.
Мелкаякамера сгорания уступает двум другим вследствие интенсивного развития пристеночных потоков в радиальном направлении. Применение мелких камер сгорания оправдано в двигателях с высоким уровнем форсирования при тщательном согласовании количества струй, высоком наддуве и коротком впрыскивании топлива. Высокая плотность заряда вследствие высокого наддува ограни-- 197 -чивает дальнобойность топливного факела, препятствуя попадания топлива назеркало цилиндра и способствуя быстрому и полному сгоранию топлива. Этотвывод подтверждается также результатами исследований фирмы Зульцер.Наилучшие показатели дизеля на режиме полной мощности обеспечиваются с глубокой и штатной камерами сгорания при угле наклона сопловых отверстий α=700. Соответствующие конфигурации пристеночных потоков представлены на рис.
5.12.а)б)Рис. 5.12. Пристеночные потоки и распределение топлива по зонам Sigm дизеля1-ПДГ4Д на режиме полной мощности с камерой сгорания глубокийГессельман (а) и со штатной камерой сгорания (б)(в обоих случаях угол сопел «в шатре» α=700)- 198 -В обеих конфигурациях (рис. 5.12) струи не достигают зеркалацилиндра, а пристеночные потоки не пересекаются. Камера глубокийГессельман имеет незначительные преимущества, т.к. обеспечивает хорошиепоказатели в более широком диапазоне изменения угла наклона отверстий, атакжеприувеличениипродолжительностивпрыскиванияиз-затех-нологических отклонений.В ходе расчетного исследования не выявлено сколько-нибудь существенной зависимости между формой камеры сгорания и ориентацией отверстий содной стороны и эмиссией оксидов азота и сажи с другой. Значительное влияние на эти параметры оказывают скорее характеристика впрыскивания и мелкость распыливания, в данном же исследовании эти параметры сохранялись постоянными.5.1.
Выводы по главе1. Анализ полученных результатов показывает, что на частичных режимах работы среднеоборотного дизеля форма камеры в поршне не оказывает существенного влияния на протекание процессов смесеобразования и сгорания.Это вызвано коротким временем развития струй и достаточностью места для ихразвития. На режимах большой мощности дефицит пространства для развитияструй играет существенную роль, поэтому оптимальное согласование формыкамеры сгорания с ориентацией струй выявляет резервы совершенствованиядизеля.2. Глубокие камеры сгорания предпочтительны для нефорсированныхсреднеоборотных дизелей, т.к.
своим высоким гребнем препятствуют попаданию топлива на холодное зеркало цилиндра, ограничивая беспрепятственноераспространение струй в воздушном заряде невысокой плотности.3. Мелкие камеры сгорания предпочтительны для высокофорсированныхсреднеоборотных дизелей при тщательном согласовании количества струй и ихориентации с формой камеры в поршне.
Высокий наддув и короткое впрыски-- 199 -вание топлива ограничивают развитие струй в объеме камеры сгорания в радиальном направлении и попадание топлива на зеркало цилиндра. Вместе с тем,короткое впрыскивание способствует быстрому сгоранию и увеличению КПД.4. В ходе расчетного исследования не выявлено сколько-нибудь существенной зависимости между формой камеры сгорания и ориентацией отверстийс одной стороны и эмиссией оксидов азота и сажи с другой.
Значительноевлияние на эти параметры оказывают скорее характеристика впрыскивания имелкость распыливания.- 200 -6. МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВСРЕДНЕОБОРОТНОГО ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯЭМИССИИ ОКСИДОВ АЗОТА И РАСХОДА ТОПЛИВАЗадачей данного расчетного исследования была оптимизация рабочегопроцесса среднеоборотного V-образного дизеля М756 (12ЧН18/20) завода"Звезда", применяемого на судах и тепловозах. Полная мощность двигателя составляет Ne =735 кВт при n = 1500 мин-1. Целью оптимизации был поиск конструктивных решений, направленных на снижение расхода топлива и эмиссииоксидов азота.
В силу конструктивных особенностей максимальное давлениецикла этого дизеля не может превышать 90 бар, а жесткость сгорания была ограничена техническим заданием: dp/dφ < 5 бар/град. При выполнении даннойработы для расчетных исследований была использована представленная в настоящей работе математическая модель комбинированного ДВС и реализующаяэту модель программа ДИЗЕЛЬ-РК. Этапу проведения расчетных исследованийпредшествовал этап проверки точности математической модели путем сравнения расчетных данных с результатами экспериментов.
Экспериментальныеданные были представлены ОАО «Звезда». Эксплуатационная характеристикадвигателя представлена на рис. 6.1.800Мощность, кВт7006005004003002001000800900100011001200130014001500Частота вращения,1/ минРис. 6.1. Характеристика дизеля 12ЧН18/20 в базовой комплектации.Маркеры – экспериментальные значения; линии - результаты расчета- 201 -Сравнение расчетного удельного эффективного расхода топлива с экспериментальным представлено на рис.
6.2, а pz, NOx и сажи на рис. 6.3.Рис. 6.2. Сравнение расчетного удельного эффективного расхода топлива с экспериментальным на разных режимахРис. 6.3. Изменение максимального давления цикла pz, эмиссии оксидов азотаNOx и сажи Hartridge от частоты вращения- 202 -Скорости впрыскивания и тепловыделения, соответствующие режимамполной мощности, 35 % от полной мощности и холостому ходу представленына рис. 6.4. Характеристики впрыскивания были рассчитаны Л.В. Греховым спомощью программы ВПРЫСК [152]. Диаграмма развития струй топлива в камере сгорания на полной мощности представлена на рис. 6.5.Рис. 6.4. Скорости впрыскивания и тепловыделения, соответствующие режимам полной мощности, 35 % мощности и холостому ходуАнализ полученных данных показывает в целом хорошее согласованиерасчета с экспериментом, исключение составляет значение эмиссии сажи нарежиме полной мощности, которое по экспериментальным данным соответствует Hartridge = 33.
Столь большая величина никак не получается расчетнымпутем, что наводит на предположение, что эмиссия сажи на режиме полноймощности имеет другую природу, а именно, она вызвана выгоранием масла,расход которого необычно высок для этого дизеля.- 203 -Рис. 6.5. Диаграмма развития струй топлива в камере сгоранияна полной мощностиАнализ процесса развития струй в камере сгорания показывает, что струиразвиваются в благоприятных условиях, пристеночные потоки практически непересекаются и не достигают поверхности зеркала цилиндра и крышки цилиндра. Это говорит о том, что форма камеры сгорания при данном уровне форсирования не является лимитирующим фактором для совершенствования двигателяи не нуждается в переделке. Снижения довольно высокого расхода топлива наноминальном режиме (225 г/кВт ч) можно было бы добиться увеличением степени сжатия и давления впрыскивания, а рост максимального давления цикла pzи эмиссии оксидов азота компенсировать уменьшением опережения впрыскивания.
Такое решение было получено в результате оптимизации, где в качествеаргументов выступали: ε - степень сжатия ; dn - диаметр сопел распылителя;θ - опережение впрыскивания, град. до ВМТ; φinj- продолжительность топли-воподачи при одноразовом впрыскивании. В качестве топливной системыпредполагалось использование Common Rail.В качестве ограничений приняты: - максимальное давление перед сопламираспылителя pinj < 1600 бар; - максимальное давление цикла pz < 90 бар;- 204 -- эмиссия оксидов азота NOx < 6 г/кВт ч.Функция цели: комплекс суммарной эмиссии SE. Результаты оптимального поиска в сравнении с базовой конфигурацией представлены в таблице 19.Таблица 19.Организация рабочего процесса с одноразовым впрыскиванием (Ne =735 кВт)Базовая конфигурацияε.Распылитель.θ град.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
