Файл: А. Ю. Коньков тепловозные дизели устройство и основы рабочих процессов рекомендовано методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Хабаровск Издательство двгупс.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.01.2024
Просмотров: 155
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
5. ПРОЦЕСС ТОПЛИВОПОДАЧИ. ТОПЛИВНАЯ АППАРАТУРА ДИЗЕЛЯ
5.1. Основные определения. Требования, предъявляемые к топливоподающей аппаратуре Как вам уже известно, топливо в камере сгорания двигателя оказывается в результате его впрыскивания в нужной фазе цикла с помощью форсунок. Чтобы это могло происходить, нужен, как минимум, еще насос, создающий высокое давление топлива перед распылителем форсунки. Этот насос таки называют – насос высокого давления или (полностью) топливный насос высокого давления (ТНВД). К топливной или топливо-
подающей) аппаратуре (ТА) в общем случае относят ТНВД, форсунку и соединяющую их трубку. Последнюю называют трубкой высокого давления или форсуночной трубкой.
ТА является частью системы управления двигателем, так как режимы работы двигателя (мощность и частота вращения вала) определяются количеством топлива, сгорающего в цилиндрах двигателя. Таким образом, чтобы изменить режим двигателя, нужно увеличить или уменьшить количество впрыскиваемого в его цилиндры топлива. Особенности этих процессов регулирования будут рассмотрены в данном разделе. Среди функций, выполняемых ТА и соответственно требований, предъявляемых к ней, можно выделить основные и дополнительные. Основные требования, без которых нормальное функционирование двигателя невозможно в принципе, можно сформулировать следующим образом
– своевременно осуществлять подачу топлива в цилиндр двигателя
– обеспечивать необходимую продолжительность впрыскивания
– впрыскивать топливо в мелкодисперсном состоянии и обеспечить его распределение по всему объему камеры сгорания
– обеспечивать возможность регулирования количества впрыскиваемого топлива в соответствии с режимом работы двигателя. Дополнительные требования, представленные ниже, придают двигателю высокие потребительские качества, делают его конкурентоспособным, благодаря в первую очередь снижению удельного расхода топлива, а следовательно, повышению КПД. Кроме того, процессы топливоподачи определяют и экологические характеристики двигателя. Содержание вредных компонентов в отработавших газах находится сегодня под жестким контролем государства во всех развитых странах мира. Высокие потребительские свойства двигателя нельзя достичь если не обеспечить возможности регулирования начала подачи топлива при изменении режима работы дизеля
– не управлять законом подачи топлива для достижения лучших показателей работы дизеля.
5.2. Принцип работы ТА с золотниковым регулированием
5.2.1. Плунжерная пара Рассмотрим принцип работы ТА разделенного типа (рис. 5.1). Под разделеннойТА понимают такое конструктивное исполнение ТА, при котором ТНВД и форсунка разделены друг от друга. В этом случае к ТА также относят трубопровод высокого давления (ТВД) – толстостенную трубку, соединяющую ТНВД с форсункой. Рис. 5.1. Схема ТА разделенного типа 1 – плунжер 2 – нагнетательный клапан 3 – надплунжерное пространство 4 – соединительный канал
5 – клапан форсунки (игла 6 – карман форсунки 7 – распылитель
8 – магистраль низкого давления 9 – отсечное отверстие
61 Основным элементом ТНВД является плунжерная пара, состоящая из плунжера 1 и втулки, в стенке которой выполнено отверстие 9, выполняющее в общем случае функцию как наполнительного, таки отсечного отверстия (см. рис. 5.1). Плунжерная пара является прецизионной парой. Корень слова прецизионный переводится на русский как точный. На заключительной стадии изготовления плунжерной пары ее детали (плунжер и втулка) проходят совместную притирку, обеспечивающую очень небольшой зазор в несколько мкм (1 мкм = 10
-6
м. Ничтожно малые протечки топлива в таком зазоре даже при огромных давлениях (несколько тысяч бар) выполняют функцию смазки трущихся притертых поверхностей. Для понимания принципа работы ТНВД необходимо разобраться с особенностью конструкции плунжера. Верхняя часть плунжера (рис. 5.2) называется головкой плунжера или его золотниковой частью и образована кольцевой проточкой 1, вертикальным пазом 2 и спиральной кромкой 3. Благодаря вертикальному пазу 2 надплунжерная полость ТНВД и полости ниже спиральной кромки всегда сообщены друг с другом и, следовательно, давление топлива в них всегда будет одинаковое. Конструктивно роль соединительного канала вместо фрезерованного вертикального паза могут выполнять отверстия в головке плунжера вдоль оси ив радиальном направлении. При этом может отсутствовать кольцевая проточка. В последнем варианте радиальное отверстие соединяет спиральный паз с осевым сверлением и соответственно с надплунжерной полостью. При работе двигателя плунжер совершает возвратно-поступательное движение, перемещаясь вдоль оси втулки. Происходящие при этом процессы определяются взаимным положением кромок золотниковой части плунжера и отсечного отверстия. Рассмотрим возможные ситуации подробнее. Когда плунжер находится в крайнем нижнем положении, полости плунжера заполняются топливом под тем давлением, какое создает топли- воподкачивающий насос топливной системы (риса. При движении плунжера вверх (рис. 5.3, б) приоткрытом отсечном наполнительном) отверстии, он выталкивает избыток топлива обратно в магистраль низкого давления (МНД). Когда плунжер своей верхней кромкой перекроет отверстие во втулке (рис. 5.3, вдавление топлива резко возрастает. С этого момента начинается нагнетательный ход плунжера, Рис. 5.2. Золотниковая часть (головка) плунжера кольцевая проточка 2 – вертикальный паз 3 – спиральная кромка
62 называемый также активным ходом. Угол поворота коленчатого вала, соответствующий этому положению плунжера, называют геометрическим углом начала подачи топлива. Активный ход продолжается до тех пор, пока плунжер своим телом перекрывает путь топливу через отсечное/на- полнительное отверстие, те. до положения, изображенного на рис. 5.3, г. Это положение соответствует отсечке подачи топлива.
а
б
в
г
Рис. 5.3. Ключевые положения плунжера приходе вверх а – крайнее нижнее положение б – вытеснение избытков топлива в – начало активного хода г – окончание активного хода (отсечка) Таким образом, чтобы изменить количество топлива, нагнетаемого к форсунке и, следовательно, изменить цикловую подачу топлива, нужно изменить продолжительность активного хода. Для этого и служит спиральная кромка головки плунжера. Если повернуть плунжер вокруг его оси почасовой стрелке (риса, то продолжительность активного хода возрастет. За активный ход будет вытеснено V
1
мл топлива. При повороте плунжера в другую сторону активный ходи соответствующий ему объем топлива V
2
уменьшится. Если плунжер повернуть так, что вертикальный паз 2 (см. рис. 5.2) будет обращен в сторону отверстия во втулке, то активный ходи, следовательно, подача топлива станут невозможны. Это положение соответствует остановке двигателя. Обратите внимание на то, что в процессе регулирования полный ход плунжера, определяемый профилем кулачковой шайбы привода ТНВД, не изменяется. Рис. 5.4. Положения плунжера в момент отсечки при различных подачах а – активный ход h
a
= 6,5 мм б – h
a
= 5,3 мм в – h
a
= 2,5 мм Пример 5.1 Рассчитать приближенное значение цикловой подачи топлива, соответствующее положению плунжера, изображенному на риса. Диаметр плунжера принять равным п
= 13 мм, а плотность топлива т
= 860 кг/м
3
Решение Активный ход плунжера для размеров, изображенных на риса, составляет h
a
= 9,5–3 = 6,5 мм. При перемещении на такое расстояние плунжер будет выталкивать впереди себя топливо в количестве, эквивалентном объему цилиндра высотой h
a и диаметром п. Этот объем рассчитывается как п ц) ц 6,5 4
V
= 862,7 мм = 0,863 мл. При плотности топлива 860 кг/м
3
или, что тоже самое, 0,86 г/мл имеем ц
= 0,863·0,86 = 0,74 г. Ответ цикловая подача приблизительно равна 0,74 г/цикл. а б в
64 Значения основных размеров топливной аппаратуры тепловозных дизелей, а также диапазон изменения цикловой подачи можно найти в книге
Г.Б. Федотова, Г.И. Левина [3, табл. 1, на развороте стр. 10–11].
5.2.2. Распылитель форсунки Обратимся вновь к схеме ТА (см. рис. 5.1). После того, как давление топлива в полостях плунжерной пары начнет расти откроется нагнетательный клапан 2 и рост давления распространится на протяжении всей магистрали высокого давления, включая ТВД и полость под иглой форсунки так называемый, карман 6. Клапан форсунки образован иглой и корпусом распылителя. Эти детали также, как и плунжерная пара являются прецизионной парой. Высокоточной обработки требуют в первую очередь поверхности запорного конуса 1 рис. 5.5) и цилиндрические поверхности 2, направляющие движение иглы. Давление топлива в кармане форсунки создает силу т, направленную в сторону, противоположную силе от пружины п. Следует учитывать, что при закрытом клапане, в образовании силы т участвует лишь часть площади поперечного сечения иглы, а именно, – кольцевой поясок с диаметрами и и к. Диаметр и будем называть диаметром цилиндрической части иглы, а к конической. Когда клапан находится в открытом состоянии, сила создается при давлении на всю площадь поперечного сечения цилиндрической части с диаметром и. Это обстоятельство обеспечивает важную функциональную особенность работы клапана открывшись при некотором давлении p
0
клапан будет оставаться в открытом состоянии при меньших давлениях. Благодаря этому, игла, поднявшись и открыв путь топливу к сопловым отверстиям распылителя 5, уверенно поднимается до упора в ограничитель хода и остается неподвижной, в положении на упоре даже если давление топлива несколько упадет в процессе впрыскивания. Рис. 5.5. Распылитель форсунки 1 – запорный конус 2 – направляющие поверхности
3 – подводящие каналы 4 – карман 5 – соп- ловые отверстия
65 Поднимаясь вверх, игла сжимает пружину, а, следовательно, увеличивается сила п, действующая в противоположном движению иглы направлению. Пружины форсунок выполняют достаточно жесткими. Для тепловозных дизелей диапазон жесткости применяемых пружин 120…400 Н/мм. Максимальный ход иглы форсунок сравнительно небольшой. Даже для мощных тепловозных дизелей он составляет доли миллиметра для существующих двигателей от 0,45 до 0,75 мм [3, стр. 10–11]. Для того, чтобы точно вычислить силы, при которых игла отрывается от посадочного места вначале процесса впрыскивания и от упора в конечной его стадии, необходимо знать параметры пружины форсунки и максимальных ход иглы. Рассмотрим эту задачу на конкретном примере. Пример 5.2 Для геометрических параметров распылителя форсунки дизеля Д определить силу действующую на иглу распылителя в момент начала открытия, начальную затяжку пружины форсунки и давление топлива при котором начнется посадка иглы на место. Жесткость пружины считать равной Н/мм. Давление открытия иглы принять равным паспортному p
0
[3, стр. 10–11]. Решение Для форсунки дизеля Д поданным, табл. 1] имеем
– давление начала открытия иглы p
0
= 31,4 МПа
– ход иглы до упора и
= 0,75 мм
– диаметр цилиндрической части иглы и
= 8 мм
– диаметр конической части иглы к
= 6 мм. Начальная площадь поверхности иглы и, на которую давит топливо в закрытом положении клапана рассчитывается как площадь кольцевой поверхности с наружным диаметром и и внутренним к
2 2
2 и кии к 4
4
d
d
f
d
d
,
(5.2) и 64 36 4
f
= 21,99 мм
2
При давлении p
0
= 31,4 МПа, действующем на эту площадку, игла начинает подниматься. Значит сила, при которой игла начинает открываться т = и
p
0
,
(5.3)
66 Учитывая, что 1 МПа = 10 6
Па, а 1 мм = 10
-6
м, получаем т
= 21,99
10
-6
31,4
10 6
= 21,99
31,4 = 690 Н. В момент отрыва иглы сила давления равна силе пружины, а значит, сила предварительной затяжки пружины форсунки была также пр
= 690 Н. Связь между сжатием пружины и силой пр, развиваемой ей, устанавливается простым уравнением пр
= k
пр
l
пр
,
(5.4) где пр – жесткость пружины пр – величина сжатия пружины (изменение длины пружины по сравнению с ненагруженным состоянием. Поэтому, пружина с заданной жесткостью 320 Н/мм будет развивать усилие 690 Несли поджата на величину
l
0
= 690 / 320 = 2,16 мм. При движении иглы к упору, пружина дополнительно сжимается на величину и. При этом сила действия пружины на иглу увеличивается ив соответствии спр Н. Приподнятой игле давление топлива воздействует на площадку и и и 4
d
f
,
(5.5) и 8
4
f
= 50,27 мм
2
Поэтому силана иглу со стороны топлива, при условии, что давление по-прежнему равно 31,4 МПа т
= 50,27
31,4 = 1578 Н. Игла при таких давлениях будет плотно прижата к упору (F
т1
>F
пр1
). Предельное давление, при котором игла остается открытой, соответствует условию т
= пр, которому соответствует давление топлива к
= 931 / 50,27 = 18,5 МПа. Ответ силана иглу в момент начала открытия составляет 690 Н, что соответствует начальному сжатию пружины 2,16 мм. Посадка иглы начинается при давлении меньше 18,5 МПа.
67
5.3. Диаграмма давления топлива Рассмотрим процесс впрыскивания топлива, следя за давлением в трубопроводе высокого давления (ТВД). Для начала будем опираться в своих рассуждениях на статическую теорию, согласно которой, давление в один и тот же момент времени одинаково по всей длине ТВД. Динамикой движения клапанов насоса и форсунки также будем пренебрегать. Начнем с момента, когда плунжер находится в нижнем положении, игла форсунки и нагнетательный клапан (см. рис. 5.1) закрыты. В ТВД при этом будет топливо под давлением, оставшимся от предыдущего цикла. Это давление таки называют остаточным ост. Так как ТВД герметично закрыт с обеих сторон, давление ост остается неизменным на протяжении большей части цикла двигателя (рис. 5.6). По мере движения плунжера вверх приоткрытом наполнительном отверстии, топливо вытекает из надплунжерного пространства обратно в магистраль низкого давления (МНД). Когда плунжер полностью перекрывает отверстие, начинается рост давления в насосе и очень скоро это давление достигает остаточного и становится больше его открывается нагнетательный клапан, и с этого момента (точка 1 на рис. 5.6) давление начинает расти не только в полостях насоса, но также в ТВД ив форсунке. Угол поворота коленчатого вала н
можно назвать углом начала подачи топлива насосом, он приблизительно равен геометрическому углу начала подачи топлива. Рис. 5.6. Теоретическая диаграмма давления в ТВД: 1 – начало активного хода плунжера 2 – начало впрыскивания 2–3 – заполнение топливом освободившегося объема 4 – отсечка топлива 5 – закрытие нагнетательного клапана
6 – посадка иглы
68 При достижении давления начала впрыскивания p
0
, которое (как было рассмотрено выше) определяется силой затяжки пружины форсунки, игла отрывается от своего седла и устремляется вверх, к упору, освобождая при этом дополнительный объем топливу. Это приводит к тому, что давление топлива в кармане форсунки несколько уменьшается. На диаграмме давления это отражается коротким участком 2–3. Кроме заполнения освободившегося пространства, топливо начинает вытекать из форсунки через сопло- вые отверстия. Угол ф соответствует началу подачи топлива форсункой, его также называют действительным углом начала подачи топлива. Далее надо учитывать совместное протекание двух противоположных процессов. С одной стороны, плунжер продолжает свой активный ходи это должно вести к росту давления, ас другой стороны, топливо вытекает из распылителя – это должно вести к снижению давления. Реальная картина определяется балансом количества поступающего со стороны ТНВД и вытекающего из форсунки топлива. Диаметры сопловых отверстий малы, а скорость плунжера велика. Поэтому, по-крайней мерена режимах большой мощности двигателя давление после точки 3 растет, но уже нес таким темпом, как на участке 1–2. Когда плунжер достигает положения отсечки, топливо перестает нагнетаться в ТВД и даже, наоборот, начинает вытекать изначального участка трубки в штуцер и через каналы головки плунжера и отсечное отверстие в
МНД. Давление в ТВД резко падает (участок 4–5), так как в это время трубка открыта с обеих сторон со стороны ТНВД и со стороны форсунки. Поскольку падение давления в полости насоса происходит быстрее, нагнетательный клапан закрывается (точка 5) и причиной продолжающегося падение топлива в ТВД является все еще открытый клапан форсунки. Посадка иглы форсунки начинается когда давление снизится до величины p
к
Как только игла сядет в седло (точка 6), восстановится герметичность
ТВД, и давление, которое окажется в этот момент времени (остаточное давление ост, не будет изменяться в ТВД до следующего цикла впрыскивания. Рассмотренный процесс позволяет понять основное назначение нагнетательного клапана – сохранить в ТВД высокое остаточное давление, что в свою очередь позволяет сократить активный ход плунжера и улучшить стабильность процесса впрыскивания от цикла к циклу. Как было сказано выше, процесс впрыскивания рассматривался нами упрощенно, с позиций статической теории. В действительности при работе дизелей средней быстроходности и, тем более, быстроходных нельзя пренебрегать динамическими факторами. Анализ экспериментальных осциллограмм давления (рис. 5.7) показывает, что наряду с общими закономерностями теоретической диаграммы, реальная характеристика содержит отчетливо развитые последствия волнового характера движения топлива.
69 Особенно сильно это заметно после посадки иглы в фазе колебаний остаточного давления, что может привести к нежелательному повторному подъему иглы (см. линию 2 на риск так называемому
подвпрыску. Вред подвпры- сков не только в том, что топливо поступает в камеру сгорания слишком поздно (количество это ничтожно мало, сколько в том, что происходит это при малых давлениях, вяло. Капелька топлива остается на кончике распылителя ив условиях высоких температур и недостатка кислорода может превратиться в кокс. Закокосовывание распылителей форсунок – одна из проблем в эксплуатации, свойственная в том числе и для тепловозных дизелей, работающих длительное время на холостом ходу. Экспериментально и теоретически установлено, что колебания остаточного давления будут тем интенсивнее, чем резче нарастает давление в процессе впрыскивания и чем длиннее трубопровод. Если первую причину устранить невозможно, – ведь это основа качественного распыливания топлива, то вторую – можно вполне. Стремление сократить длину ТВД привело к распространению индивидуальных ТНВД для габаритных дизелей (рис. 5.8), в отличие от блочных ТНВД, применяемых на автотракторных дизелях. При блочном исполнении плунжерные пары расположены водном корпусе, в котором находится и приводной кулачковый вал. Блочные насосы удобнее в обслуживании, не требуют трудоемких регулировок на двигателе, так как все ответственные операции можно выполнить в условиях топливного цеха. Среди тепловозных дизелей блочные ТНВД установлены на цилиндровых образных двигателях М, доживающих свой век на тепловозах серии ТГ16 Сахалинской железной дороги. Решить проблему негативного влияния ТВД можно и радикально. Таким решением является насос-форсунка (рис. 5.9). Рис. 5.7. Экспериментальные осциллограммы давления в ТВД 1 и перемещения иглы форсунки для ТА дизеля Дна режиме полной мощности поданным, рис. 85]
70 Рис. 5.8. Индивидуальные (аи блочный (б) ТНВД: 1 – форсунка 2 – топливный факел
3 – ТНВД; 4 – приводной вал 5 – штуцер форсунки 6 – ТВД; 7 – электромагнитный клапан 8 – пружина возврата плунжера 9 – ролик толкателя [4, стр. 276] Рис. 5.9. Расположение насосов-форсунок на дизеле
1 – коромысло 2 – распределительный вал 3 – электромагнитный клапан 4 – распылитель форсунки [4, с. 266] В этом случае плунжерная пара и распылитель выполнены водном корпусе и имеют короткие каналы. Насосы-форсунки позволяют получить более высокие давления распыливания, благодаря жесткой конструкции. Опыт эксплуатация дизелей показывает, что рост давления впрыскивания может стать причиной разрыва трубопроводов и возникновения пожаров в машинном отделении. Для повышения безопасности, трубки могут выполняться с двойными стенками. а б
71
5.4. Конструкция топливной аппаратуры дизеля типа Д
5.4.1. ТНВД дизеля типа Д На дизелях типа Д, находящихся в настоящее время в эксплуатации, установлены индивидуальные ТНВД гидромеханического типа с золотниковым регулированием цикловой подачи. Принцип работы такой аппаратуры рассмотрен выше.
ТНВД (рис. 5.10) приводится в действие от кулачковой шайбы, расположенной на распределительном валу в лотке двигателя. Шайба, набегая на ролик толкателя 2, приводит к его перемещению вдоль оси насоса по направляющим 1. Пружина 4 при этом сжимается. Таким образом, обеспечивается возвратно-поступательное движение плунжера 7 во втулке 11. Рис. 5.10. ТНВД дизеля типа Д 1 – направляющая втулка толкателя 2 – толкатель
3 – резиновые кольца 4 – пружина 5 – поворотная шестерня 6 – рейка 7 – плунжер
8, 10 – штуцеры 9 – нагнетательный клапан 11 – втулка плунжера 12 – тарелки пружины корпус ТНВД; 14 – регулировочные прокладки Топливо из магистрали низкого давления с давлением порядка 2,5...3 МПа по штуцеру 7 заполняет общую полость для наполнительных и отсечных отверстий втулки 11. Регулирование осуществляется поворотом плунжера вокруг своей оси с помощью реечного механизма, преобразующего поступательное перемещение рейки 6 во вращательное движение плунжера 7. Большая часть цикла ТВД и полости насоса разобщены закрытым нагнетательным клапаном 9, который открывается вначале активного хода плунжера, когда давление в насосе достигает остаточного давления в ТВД.
72 В этой части цикла топливо по отверстию в штуцере 10 направляется по
ТВД к форсунке. Угол опережения подачи топлива определяется моментом полного перекрытия телом плунжера отверстий во втулке (см. рис. 5.3, в) ив рассматриваемой конструкции должен быть отрегулирован на двигателе с помощью правильного подбора толщины прокладок 14 между корпусом направляющей втулки толкателя 1 и поверхностью стыка на лотке двигателя. Особенностью ТНВД дизеля Д в сравнении с другими ТНВД отечественных тепловозных дизелей является форма золотниковой части плунжера, обеспечивающая регулирование подачи топлива как по концу (те. нижней кромкой, таки поначалу (верхней кромкой) активного хода. С этой целью верхняя кромка плунжера также выполнена по спирали. Регулирование подачи топлива поначалу позволяет обеспечить изменение угла опережения подачи топлива на различных режимах работы. По форме головки плунжера Д можно видеть, что увеличенным подачам соответствует ранний впрыск, так как верхняя кромка будет перекрывать отверстие раньше. Это сделано, конечно, осмысленно. Расчет строится на том, что с большими подачами топлива двигатель работает на больших оборотах коленчатого вала и поэтому, учитывая, что процессы смесеобразования должны успеть завершиться за более короткий промежуток времени, впрыск надо начинать раньше. Таким образом, мы познакомились со способом изменения угла опережения подачи топлива без применения электроники. Современные системы работают более гибко и будут рассмотрены в следующей лекции. Значения углов опережения подачи топлива, принятые для тепловозных дизелей можно посмотреть в [1, табл. 24].
5.4.2. Форсунка дизеля типа Д Форсунка дизеля типа Д (рис. 5.11) имеет жесткий массивный корпус, исключающий заклинивание иглы из-за перекоса при монтаже, имевшее место в более ранних конструкциях. Сразу за входным штуцером 1 располагается щелевой фильтр 14 – последний барьер для абразивных частиц, не задержанных фильтрами грубой и тонкой очистки топливной системы тепловоза. Далее топливо по каналу а попадает в карман распылителя и при достижении давления начала открытия форсунки 31,4 МПа (для модификации Д) поднимает иглу 13, открывая путь к сопловым отверстиям распылителя 12, вноске которого выполнены сопловые отверстия.
73 Рис. 5.11. Форсунка дизеля типа Д 1, 2 – штуцеры регулировочный штуцер 4 – тарелка
5, 8 – резиновые кольца 6 – пружина 7 – корпус толкатель, 10 – колпак 11 – корпус иглы распылитель 13 – игла 14 – щелевой фильтра, б – каналы Игла перемещается по направляющим корпуса 11, составляя совместно с ним прецизионную пару. Давление начала подачи топлива регулируется силой затяжки пружины 6, усилие от которой передается к игле через толкатель. Для регулировки предусмотрен нажимной штуцер 2, ввернутый по резьбе в корпус форсунки и упирающийся через тарелку 4 в пружину. Особенностью форсунки дизеля Д можно назвать конструкцию распылителя. В отличие от рассмотренного выше, этот узел состоит из трех деталей иглы 13, корпуса 11 и собственно распылителя 12. Корпус иглы и распылитель плотно прижимаются друг к другу колпаком 10, соединенным резьбой с корпусом форсунки. Протечки топлива вдоль направляющей иглы обеспечивают ее смазку и безызносную работу. Это топливо попадает во внутренние полости форсунки, в которых расположены пружина, толкатель и другие детали, откуда отводится в дренажную магистраль через штуцер 2. Аналогично отводятся протечки топлива через сопряжение распылителя с корпусом иглы. С этой целью предусмотрен канал б в корпусе форсунки. Так как форсунка в крышке цилиндра дизеля установлена под углом коси цилиндра, правильное взаимное пространственное расположение образующегося при впрыскивании топливного факела и поверхностей камеры сгорания достигается соответствующим расположением сопловых отверстий в кончике распылителя. Их число и диаметр могут отличаться для различных модификаций. Для тепловозного дизеля Д применяется распылитель с девятью отверстиями диаметром 0,4 мм.
74 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Перечислите требования, предъявляемые к топливоподающей аппаратуре дизеля, разделив их на основные и дополнительные.
2. Изобразите схему топливной аппаратуры разделенного типа, опишите принцип ее работы.
3. Каким образом осуществляется регулирование цикловой подачи топлива в дизелях с топливной аппаратурой гидромеханического типа
4. Какие прецизионные пары присутствуют в топливной аппаратуре дизеля
5. Изобразите примерный вид диаграммы давления топлива перед форсункой в процессе впрыскивания топлива.
6. Поясните отличия между индивидуальным, блочным ТНВД, насосом- форсункой.
7. Назовите основные элементы ТНВД и форсунки тепловозного дизеля типа Д. Проверьте себя на способность находить их на схемах.
6. ТОПЛИВОПОДАЮЩАЯ АППАРАТУРА С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Впрыск топлива начинается с опережением относительно ВМТ на несколько градусов угла поворота коленчатого вала. Этот угол называют углом опережения подачи топлива и его величина для существующих тепловозных дизелей может составлять от 10 до 30 градусов [1, табл. 24]. Уже для самых ранних конструкций дизелей было установлено, что существует некий оптимальный для данного двигателя угол опережения подачи топлива, при котором процесс сгорания протекает наилучшим образом. Для среднеоборотных четырехтактных двигателей это имеет место при начале воспламенения вблизи ВМТ – за несколько градусов до ВМТ. Интервал времени от начала подачи топлива и до его воспламенения называется периодом индукции или периодом задержки воспламенения. Период задержки воспламенения
i
определяется свойствами топлива и скоростью образования паров топлива в цилиндре. Способность дизельного топлива к самовоспламенению определяется цетановым числом.
6.1. Цетановое число Цетановое число (ЦЧ) – важный показатель воспламеняемости топлива, характеризует способность топлива к самовоспламенению и определяет период задержки воспламенения (самовоспламенения) топлива. Чем
75 выше цетановое число, тем короче эта задержка. Период задержки воспламенения является первой фазой сгорания в дизелях, которая во многом определяет протекание последующих фаз быстрого и основного сгорания. Название ЦЧ своим происхождением обязано углеводороду с хорошей воспламеняемостью гексадекану (цетану) C16H34, чья способность к самовоспламенению условно принята за 100 %. Другой углеводород – альфа- метилнафталин C11H10 обладает плохой воспламеняемостью, принимаемой также условно) за 0 %. Таким образом дизельное топливо с ЦЧ = 45 % обладает такой же воспламеняемостью, как смесь 45 % цетана с 55 % альфа- метилнафталина. Рассмотрим влияние цетанового числа на процесс сгорания (рис. 6.1). Рис. 6.1. Графики относительной скорости тепловыделения (сверху) и давления в цилиндре (снизу) при различных значениях ЦЧ (моделирование для частичного режима дизеля Д) При коротких задержках воспламенения (топливо с большим ЦЧ) к началу самовоспламенения в цилиндре оказывается сравнительно небольшое количество паров топлива, горение которых сопровождается соответственно выделением небольшого количества теплоты, что приводит к меньшему росту давления в цикле (в сравнении с более продолжительной задержкой. Поэтому, несмотря на то, что воспламенение наступает раньше ВМТ (360° угла поворота коленчатого вала) процесс сгорания протекает мягче, с меньшими скоростями нарастания давления. Пары топлива, которые продолжают образовываться в цилиндре после вспышки, начинают гореть практически без задержки, подпитывая возникший в рабочей камере очаг пламени. Таким образом, действительный цикл дизеля смещается в сторону цикла с подводом теплоты по изобаре (уменьшается степень изменения давления в цилиндре и увеличивается степень предварительного расширения. При больших задержках воспламенения процесс принимает обратный характер. Вспышка происходит позже, иногда даже на линии расширения, но несмотря на то, что объем цилиндра в этой фазе цикла может уже увеличивается, давление нарастает быстро, достигает больших значений в максимуме. Такой процесс сгорания называют жестким. Сточки зрения оптимальной организации рабочего процесса цетановое число не должно быть ни слишком малым, ни слишком большим. Считается, что при традиционной организации рабочего цикла дизеля (однофазный впрыск) оптимальные значения приходятся на интервал ЦЧ = 40...50. Современные стандарты устанавливают следующие требования не ниже 45 единиц вне зависимости от марки топлива по ГОСТ [5] и не ниже 51 единиц для топлива Евро [6]. Наметившаяся тенденция по увеличению нижнего порога для ЦЧ обусловлена распространением электронных систем управления топливоподачей в дизелях, позволяющих распределять впрыск на несколько фаз. Для таких систем предпочтительнее является топливо с высоким цетановым числом.
6.2. Продолжительность периода задержки воспламенения и необходимость изменения угла опережения подачи топлива Наряду с цетановым числом на период задержки воспламенения оказывает влияние скорость образования паров топлива. Эта величина, в свою очередь, зависит от дисперсности распыливания топлива и условий в цилиндре. Чем меньше капельки топлива, темна большее число капель разделяется цикловая порция топлива и, следовательно, больше поверхность, с которой происходит образование паров. Таким образом, период задержки воспламенения сокращается приросте давления впрыскивания и уменьшении диаметра сопловых отверстий распылителя форсунки. И, наконец, третьим существенным фактором, оказывающим влияние на скорость образования паров топлива, является температура, влияние которой однозначно чем больше температура, тем короче период задержки воспламенения.
77 Продолжительность периода задержки воспламенения
i
для дизельного двигателя может быть ориентировочно рассчитана по эмпирическим формулам. Одной из наиболее распространенных формул является формула АИ. Толстова
RT
E
p
T
a
i
exp
,
(6.1) где B – константа, зависящая от степени сжатия, конструкции КШМ дизеля и частоты вращения коленчатого вала T, p – температура и давление воздуха в цилиндре E
a
– условная энергия активации предпламенных реакций топлива (E
a
= 23000...28000 кДж/кмоль); R – газовая постоянная. На режимах работы двигателя, близких к номинальному, период задержки воспламенения составляет 1…2 мс, а на режимах холостого хода и частичной нагрузки – до 5 мс и более. Необходимость изменения угла опережения подачи топлива возникает, прежде всего, из-за того, что при изменении скоростного режима один и тот же период задержки воспламенения топлива будет приходиться на разный интервал угла поворота коленчатого вала. Рассмотрим это на конкретном примере. Пример При работе двигателя с частотой вращения коленчатого вала 900 мин
-1
угол опережения начала подачи топлива составляет 10°. Рассчитайте угол поворота кв, при котором начинается сгорание топлива, если период задержки воспламенения равен 1,2 мс. Как изменится угол начала сгорания, если обороты уменьшатся домина продолжительность задержки воспламенения останется той же Решение При частоте вращения 900 мин за одну секунду (1000 мс) вал совершает
900/60 = 15 оборотов или 15∙360 = 5400 градусов. Составим пропорцию
5400 градусов – 1000 мс
x градусов – 1,2 мс. Следовательно, неизвестный интервал угла поворота коленчатого вала
x = 1,2 мс ∙ 5400°
/ 1000 мс = 6,48°. Таким образом, при подаче топлива за 10° до ВМТ его самовоспламенение произойдет через 6,48° или за 3,52° до ВМТ.
78 Повторим вычисления для 600 мин. За одну секунду вал совершает
10 оборотов или 3600°:
3600° – 1000 мс
x градусов – 1,2 мс. В результате вычислений получаем x = 1,2 мс ∙ 3600°
/ 1000 мс = 4,32°. Таким образом, вспышка топлива произойдет за 6,68° до ВМТ. Ответ при частоте вращения 900 мини продолжительности периода задержки воспламенения 1,2 мс сгорание начинается за 3,52° до ВМТ, а при 600 мин – за 6,68° до ВМТ. Рассмотренный пример показывает влияние скоростного режима на начало сгорания топлива, впрыскиваемого при одной и той же фазе цикла. И хотя, в действительности, уменьшение частоты вращения влечет за собой снижение качества распыливания топлива и, следовательно, увеличение, рассмотренная в примере тенденция преобладает. Поэтому для того, чтобы сгорание топлива начиналось в оптимальной фазе цикла необходимо изменять угол опережения подачи топлива при изменении скоростного режима двигателя. На малых оборотах топливо следует впрыскивать позже (угол опережения должен быть меньше) и наоборот – на больших оборотах угол опережения следует увеличивать. Один из вариантов регулирования угла опережения подачи топлива был рассмотрен ранее. Этот вариант реализуется в двигателях с гидромеханической топливной аппаратурой за счет выполнения верхней кромки золотниковой части плунжера по спирали. При этом следует понимать основное несовершенство данного подхода регулирование осуществляется не по причине изменения частоты вращения, а из-за изменения цикловой подачи. Эти параметры находятся в сложной взаимосвязи. Более гибкое решение проблемы дает топливная аппаратура с электронным управлением топливоподачей.
6.3. Индивидуальные насосы и насосы-форсунки с электромагнитными клапанами Пожалуй, наиболее простым способом модернизации существующих дизелей тепловозов является применение индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном. Этот способ предполагает замену только ТНВД и системы управления. Такой ТНВД имеет незначительное увеличение габаритов, обусловленное размерами катушки электромагнитного клапана и устанавливается в посадочное место гидромеханического ТНВД. Форсунка и трубка высокого давления (ТВД) могут использоваться прежние.
79 Создание высокого давления таким ТНВД осуществляется также, как ив традиционных системах – в плунжерных парах. Конструктивно плунжерная пара выполнена проще, плунжер не имеет сверлений и спиральных проточек, так как управление началом и концом впрыскивания топлива осуществляется с помощью электромагнитного клапана. Ход плунжера, определяемый профилем кулачковой шайбы, рассчитывается так, чтобы гарантированно обеспечить максимально возможные подачи топлива. Основная идея, лежащая в основе работы таких насосов заключается в следующем. Большую часть времени цикла электромагнитный клапан обесточен ив этом положении сообщает надплунжерную полость с магистралью низкого давления (МНД). Если плунжер движется вниз, то топливо из МНД – проходи через открытый клапан и заполняет полости насоса. Если плунжер движется вверх, то топливо из надплунжерной полости перетекает обратно в МНД. Рассмотрим работу такого ТНВД рис. 6.2). Вместо нагнетательного клапана в верхней части корпуса
ТНВД установлен электромагнитный клапан с управляющим поршнем. Цилиндрический управляющий поршень 11, ходит по гильзе 12 в верхней части корпуса 14 ТНВД. На этом поршне со стороны катушки электромагнита 9 находится игла с конической посадочной поверхностью, которая взаимодействует с седлом в гильзе. Там же укреплена пластина 7 якоря, которая при подаче напряжения на катушку притягивается электромагнитом, преодолевающим силу возвратной пружины клапана. При этом управляющий поршень переходит в закрытое положение, при котором игла плотно прилегает к седлу. В таком положении давление топлива над плунжером, в штуцере насоса и соответственно в ТВД начинает расти. Рис. 6.2. Схема индивидуального ТНВД с электромагнитным клапаном 1 – плунжер канал обратного слива топлива
3 – упорная пластина 4 – камера впуска
5 – канал подвода топлива 6 – штуцер магистрали высокого давления 7 – пластина якоря 8 – штекер соединения с блоком управления 9 – катушка электромагнитного клапана 10 – возвратная пружина клапана 11 – управляющий поршень 12 – втулка управляющего поршня 13 – камера высокого давления
14 – корпус ТНВД
80 Открытие форсунки происходит как обычно при достижении давления, регулируемого затяжкой пружины форсунки. Для окончания подачи топлива катушка электромагнита обесточивается, пружина клапана сдвигает управляющий поршень от магнита, открывая проходное сечение клапана и прижимая управляющий поршень к упорной пластине 3. Давление падает в полостях насоса, штуцера и ТВД и при достижении определенной величины пружина форсунки закрываете клапан – впрыск прекращается. Опыт эксплуатации таких ТНВД показывает более высокие скорости повышение давления в ТВД и, как следствие этого, увеличение риска разрыва форсуночных трубок. Более надежными в этом отношении являются системы с насосами-форсунками, оснащенными электромагнитным клапаном (рис. 6.3). Рис. 6.3. Схема работы насоса-форсунки с электромагнитным клапаном 1 – кулачок привода 2 – плунжер 3 – возвратная пружина 4 – камера высокого давления
5 – управляющий клапан 6 – камера электромагнитного клапана 7 – канал подвода топлива 8 – канал обратного слива топлива 9 – катушка электромагнита 10 – седло клапана 11 – игла распылителя Перемещение плунжера 2 осуществляется с помощью кулачковой шайбы и возвратной пружины 3. В обесточенном состоянии катушки 9, игла 5 своей пружиной прижата к упору (риса, при этом камера высокого а б в г
81 давления 4, полости подвода 7 и отвода 8 топлива через камеру клапана 6 сообщены друг с другом и поэтому давление в них одинаково и равно давлению в МНД. При этом, если плунжер движется вверх (риса, то топливо по каналу 7 поступает в насоса если вниз (рис. 6.3, б) – выталкивается плунжером из насоса по каналу 8. При подаче напряжения на катушку 9, клапан 5 садится в свое седло 10, разобщая полость высокого давления 4 от каналов 7 и 8. Давление в 4 начинает расти, игла распылителя 11 поднимается, преодолевая силу сжатия своей пружины – происходит впрыскивание топлива (рис. 6.3, в. Подача топлива завершается при обесточивании катушки (рис. 6.3, г. При этом полость 4 вновь соединяется через полость клапана 6 с каналами 7 и 8.
6.4. Аккумуляторная система Наиболее совершенной на сегодняшний день системой топливоподачи является система Common Rail или, по-русски – аккумуляторная система рис. 6.4). В отличие от рассмотренных выше систем, в которых впрыск должен начаться и закончиться в течение нагнетательного хода плунжера, в аккумуляторной системе впрыск можно осуществить в любой момент времени, благодаря тому, что в аккумуляторе всегда поддерживается высокое давление топлива. При работе двигателя плунжерный топливный насос 1 создает высокое давление топлива в общем для всех цилиндров двигателя аккумуляторе 5, от которого по трубкам высокого давления 4 топливо подводится к электрогидравлическим форсункам 9 каждого цилиндра. В форсунках имеется два клапана основной (игла) и дополнительный, нормально закрытый электромагнитный клапан. При обесточенном состоянии катушки клапана полости б над иглой) испод иглой) находятся под одинаково высоким давлением и, благодаря пружине, игла плотно сидит в своем седле. Полости форсунки а находятся под низким давлением, так как всегда сообщены трубопроводом с топливным баком. При подаче напряжения на катушку магнитное поле притягивает якорь клапана, который открывает сообщение топлива между полостями аи б. Давление в полости б резко падает ив результате, сила, удерживающая иглу в седле, уменьшается – игла поднимается и начинается впрыск. При обесточивании катушки электромагнитный клапан закрывается, разобщая полости аи б. Давление топлива в полости б восстанавливается до уровня давления в аккумуляторе и суммарная сила пружины и давления топлива прижимает иглу к седлу – впрыск прекращается.
82 Рис. 6.4. Схема аккумуляторной системы (Common Rail): 1 – топливный насос 2 – клапан отключения плунжерной секции 3 – штуцер насоса 4 – магистраль высокого давления 5 – аккумулятор 6 – датчик давления топлива 7 – ограничитель пропускной способности 8 – перепускной клапан (ограничитель давления 9 – электрогидравлическая форсунка 10 – блок управления Таким образом, перемещение иглы происходит под действием разницы сил, создаваемых пружиной и давлением топлива в полостях бис. Когда давление в этих полостях одинаково (б
= с) – игла закрыта (прижата пружиной. Когда давление в полости б меньше, чем в полости с (б
< с) – игла открыта. Поэтому такие форсунки получили название электрогидравлические. Главным преимуществом аккумуляторных систем является возможность осуществления многократных впрыскиваний топлива за один цикл. Например, в автомобильных двигателях впрыск топлива может быть разделен натри фазы предварительный, основной и дополнительный. Следует отметить, что в рассмотренных выше системах впрыскивание также может быть многофазным, однако давление топлива при этом существенно зависит от скорости движения плунжера ТНВД. Только аккумуляторная система позволяет осуществить качественное распыливание впрыскиваемого топлива в любой фазе цикла.
83
6.5. Топливная аппаратура тепловозных и судовых среднеоборотных дизелей Наиболее простым направлением модернизации систем управления существующих отработанных конструкций двигателей с индивидуальными ТНВД является установка ТНВД с электромагнитным клапаном. Российским предприятием «Дизельавтоматика» разработаны опытные образцы (рис. 6.5) топливной аппаратуры для тепловозных дизелей типа Д (ЧН26/26) и Д (ЧН31,8/33). Рис. 6.5. Опытный ТНВД дизеля типа Д [5, рис. 10]: 1 – упор 2 – корпус электрогидравлического клапана 3 – втулка 4 – затвор 5 – проставок; 6 – якорь 7 – электромагнит пружина возвратная 9 – фланец нажимной 10 – фланец промежуточный корпус насоса 12 – кольцо стопорное 13 – тарелка 14 – стакан 15 – плунжер пружина плунжера 17 – коллектор подвода топлива 18 – клеммы выводные отверстие для подвода топлива б – отверстие для отвода топлива В работе [5] опубликованы временные диаграммы работы ТНВД, иллюстрирующие одну из проблем, с которой сталкиваются конструкторы и разработчики подобных систем – это временная задержка между управляющими сигналами от бортового компьютера и процессами в системе топливоподачи (рис. 6.6). Рис. 6.6. Осциллограммы двухфазной подачи [5, рис. 10] Показанный в верхней части рисунка сигнал прямоугольной формы следует рассматривать как последовательность команд компьютера системы управления высокий уровень – начать подачу, низкий уровень – прекратить. При этом видно, что давление в топливопроводе начинает расти с задержкой
(
3
= 3,6 мс. За время этой задержки коленчатый вал поворачивается на несколько градусов (в рассматриваемом случае
3
= 11°). Главная причина этой проблемы кроется в индуктивности катушки электромагнитного клапана. Альтернативным электромагнитным клапанам вариантом является применение пьезоэлектрических актуаторов, работающих на основе обратного пьезоэлектрического эффекта. Такие клапаны дороже, но обладают лучшим быстродействием. Ведущие мировые производители топливной аппаратуры
(Bosch и Denso) внедряют эти технологии в электрогидравлических форсунках, в первую очередь, для автомобильных дизелей.
85 Как ив случае с электромагнитными форсунками, в пьезоэлектрических форсунках актуатор перемещает дополнительный управляющий клапан форсунки, а основной клапан – игла перемещается силами, создаваемыми давлением топлива. Дополнительные сведения о работе современных систем топливопода- чи современных дизелей можно найти в книге [4]. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое цетановое число Как эта характеристика влияет на работу дизеля
2. В чем, по вашему мнению, основная причина необходимости изменения угла опережения подачи топлива
3. Опишите работу индивидуального ТНВД с электромагнитным клапаном. В чем его преимущества перед ТНВД гидромеханического типа
4. Назовите отличительные особенности насосов-форсунок с электромагнитными клапанами.
5. Опишите работу аккумуляторной системы подачи топлива. Какими преимуществами обладает такая система перед другими
6. Перечислите основные элементы индивидуального ТНВД с электронным управлением, разработанного для тепловозного дизеля типа Д.
7. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА. Топливо и теплота его сгорания
7.1.1. Состав топлива Одной из основных характеристик органического топлива является его элементарный химический состав, определенный по рабочей массе топлива (те. по массе в том виде, в каком топливо сжигается в рабочей камере двигателя
С
р
+Н
р
+ р + О
р
+ р + Ар + р = 100 %, где С
р
, Н
р
, р, О
р
, р – соответственно содержание углерода, водорода, серы и кислорода в рабочей массе топлива в процентах р – механические примеси (пыль) и зольность р – влагосодержание. Влага в топливе томили ином количестве есть всегда. Вода попадает в жидкое топливо при пропарке цистерн, при транспортировке, из-за конденсации атмосферной влаги при хранении топлива. Жидкое топливо отстаивают, часть воды оседает и утилизируется, часть воды остается в топливе.
86 По стандарту [5] содержание воды (или влагосодержание W) в дизельном топливе не должно превышать 200 мг на кг топлива (W = 0,002 %), однако в рабочем составе влагосодержание р может в десятки и сотни раз превышать стандартную характеристику. Повышенное содержание воды приводит к снижению теплоты сгорания топлива и увеличению его расхода, снижает смазывающие свойства топлива, приводя к повышенному износу топливной аппаратуры, а в зимний период может стать причиной отказа двигателя из-за образования ледяных пробок в топливной системе
Содержание механических примесей и воды в топливе представляют собой его внешний балласт, ухудшающий теплотехнические характеристики любого вида топлива. Различают также горючую и сухую массу топлива. Состав топлива, определенный по сухому индекс с) составу топлива, отличается от приведенного выше рабочего только отсутствием влаги
С
с
+Нс + с + Ос + с + Ас = 100 %,
(7.1) В горючей индекс г) массе топлива отсутствует внешний балласт, те. влага и механические примеси
С
г
+Н
г
+ г + О
г
+ г = 100 %.
(7.2) Рабочая, сухая и горючая массы топлива могут быть пересчитаны одна в другую умножением на простые коэффициенты. Например, при определении сухой и горючей массы при заданной рабочей массе эти коэффициенты имеют вид соответственно
k
1
= р) и k
2
= 100/(100–W
р
–А
р
).
(7.3) Тогда для расчета, например, содержания углерода в горючей смеси при известном рабочем составе нужно использовать соотношение
С
г
= k
2
С
р
= 100 С
р
/(100–W
р
–А
р
).
(7.4) Пример 7.1 Известен горючий состав дизельного топлива углерод – 87,15 %; водород – 12,82 %; сера – 0,02 %; кислород – 0,01 %. Рассчитать содержание водорода в рабочем составе, если известно, что в процессе хранения влагосодержание топлива составило 0,1 %. Решение Из условия задачи следует, что содержание водорода в горючем составе равно г
= 12,82 %. При влагосодержании р
= 0,5 % и при отсутствии зольности дизельного топлива Ар
= 0 для водорода можно записать аналогично г = 100 H
р
/(100–W
р
–А
р
), откуда р = (100–W
р
–А
р
) гр. Ответ содержание водорода в рабочем составе 12,76 %. Кислород и азот топлива не являются его горючими элементами и, поэтому, также называются балластом топлива. Для различия между внешним балластом (зола и влага) этот балласт называют внутренним или органическим балластом. Горючими элементами в топливе являются углерод (теплота сгорания
33,7 МДж/кг), водород (теплота сгорания 108 МДж/кг) и сера летучая (теплота сгорания 9,3 МДж/кг), представляющая собой сумму органической и колчеданной серы. Содержание углерода в дизельных топливах колеблется в пределах С
г
= 84...88 %, водорода – г = 10,0...14,7 % и серы летучей р = 0,001...0,3 %. Из приведенных выше значений теплоты сгорания видно, что теплотворная способность серы сравнительно невелика. При этом продукты сгорания серы являются токсичными и, кроме того, обладают агрессивными свойствами. По этой причине содержание серы в топливе нежелательно. Введенный с 2006 г. ГОСТ Дизельное топливо ЕВРО [6] по показателям качества аналогичен европейскому стандарту EN 590 и предусматривает производство дизельного топлива с содержанием серы 10, 50 и 350 ppm, те и 0,035 % соответственно. В зависимости от содержания серы эти стандарты классифицируют топливо по экологическим классам европейский стандарт К, К, … К) и видам (российский стандарт вид I, вид II, вид III). Европейский стандарт известен также как Евро. С 1 января 2016 г. на территории Российской Федерации разрешен выпуски обращение дизельного топлива экологического класса не ниже К Евро, вид III) с содержанием серы не более 0,001 %.
7.1.2. Теплота сгорания топлива Под теплотой сгорания топлива понимают количество теплоты, выделившееся при полном сгорании 1 кг топлива. Практически используемой является низшая рабочая теплота сгорания р
н
Q , равная количеству теплоты, выделяющемуся при полном сгорании 1 кг топлива рабочего состава, при отсутствии конденсации содержащихся в них водяных паров. Для высшей теплоты сгорания топлива учитывается еще и теплота парообразования, выделяющаяся при конденсации водяного пара в продуктах сгорания топлива.
88 Для практических расчетов используется формула Д.И. Менделеева, согласно которой низшая рабочая теплота сгорания топлива р
н
Q
, МДж/кг, может быть найдена на основании рабочего состава топлива р
н
Q = 0,339 С
р
+1,03 р 0,109 (р р)
⎯ 0,025 р) В формуле Д.И. Менделеева коэффициенты подобраны экспериментально и несколько отличаются от указанных выше значений теплоты сгорания отдельных горючих элементов, входящих в состав топлива. Пример 7.2 Рассчитать теплоту сгорания для дизельного топлива следующего рабочего состава углерод 87 %; водород 12,6 %; кислород 0,4 %. Решение Указан рабочий состав, дающий в сумме 100 % = 87+12,6+0,4. Следовательно влаги и серы в топливе нет р
= 0, р
= 0. Расчет выполняем по (7.5) р
н
Q = 0,339
∙
87 + 1,03
∙
12,6
⎯ 0,109
∙
0,4 =
= 42,427 МДж/кг. Ответ 42,427 МДж/кг или 42427 кДж/кг. Для более точного определения теплоты сгорания топлива используют калориметры, в основе конструкции которых лежит калориметрическая бомба (рис. 7.1). Испытуемое топливо сжигают при избытке кислорода в бомбе 5. Выделившуюся при этом теплоту поглощает вода калориметра, по изменению температуры которой определяют искомое количество теплоты. Для дизельных топлив низшая рабочая теплота сгорания топлива находится в пределах р
н
Q = 42...43 МДж/кг.
7.2. Количество воздуха, необходимое для сгорания топлива
7.2.1. Теоретически необходимое количество воздуха Для сгорания топлива необходим кислород. Практически все двигатели внутреннего сгорания потребляют кислород из атмосферного воздуха. Найдем для начала количество кислорода L°
O2
, необходимое для сгорания Рис. 7.1. Схема калориметра
1 – тигель с пробой топлива
2 – термометр 3 – электроды для поджига; 4 – мешалка
5 – бомба
89 одного килограмма топлива, горючими элементами которого являются углерод, водород и сера. Вычисления основываются на стехиометрических соотношениях реагентов и продуктов химических реакций. Для углерода C+O
2
= CO
2
, те. для окисления 1 молекулы углерода (C) необходима одна молекула кислорода (O
2
). В результате будет получена
1 молекула двуокиси углерода CO
2
. Или, что тоже самое входе реакции
1 кмоль углерода с 1 кмоль кислорода образуется один кмоль двуокиси углерода. С учетом атомных масс химических элементов это уравнение можно переписать следующим образом
12 кг C + 1 кмоль (32 кг) O
2
= 1 кмоль (44 кг) CO
2
, те. для сгорания одного кг углерода потребуется 1/12 кмоль кислорода и при этом получится 1/12 кмоль двуокиси углерода. В случае с водородом две его молекулы, реагируя с одной молекулой кислорода, дают две молекулы водяного пара
2H
2
+ O
2
= 2H
2
O или
4 кг H
2
+ 1 кмоль (32 кг) O
2
= 2 кмоль (36 кг) H
2
O. Для серы имеем
S + O
2
= SO
2
,
1 кмоль (32 кг) S + 1 кмоль (32 кг) O
2
= 1 кмоль (64 кг) Если водном кг топлива содержится С
р процентов углерода, р процентов водорода, р процентов серы и р процентов кислорода, то для окисления горючих элементов потребуется L°
O2
, кмоль кислорода
Lº
O2
= (С
р
/12 + р + S
р
/32
–
O
р
/32)/100.
(7.6) Слагаемое р со знаком минус в скобках учитывает количество кмоль кислорода, содержащегося в самом топливе, водном его килограмме. Принимая, что объемная доля кислорода в воздухе составляет 0,21, можно определить теоретически необходимое количество кмоль воздуха для сгорания одного килограмма топлива L°, кмоль/кг р
р р
р
0
C
H
S
O
1 12 4
32 32 21
L
(7.7) При расчёте объема воздуха, необходимого для сгорания одного килограмма топлива, достаточно умножить это уравнение на 22,4 м
3
/кмоль объем, который занимает 1 кмоль любого газа при нормальных условиях
V
0
= 22,4 L
°
(7.8)
90 Подставляя Lº и раскрывая скобки, получаем V°, мкг,
V
0
= 22,4 L
0
= 0,0889 С
р
+ 0,267 р + 0,0333 (р р.
(7.9) Пример Для заданного состава топлива (см. пример 7.2) рассчитать теоретически необходимое для сгорания количество кмоль и кубических метров воздуха. Решение Известен рабочий состав топлива С
р
= 87 %; р
= 12,6 %; О
р
= 0,4 %. Расчет для количества воздуха в кмолях выполняем по (7)
L
0
= (87/12 + 12,6/4 – 0,4/32) / 21 = 0,495 кмоль/кг. Согласно (7.8)
V
0
= 22,4 ∙ 0,495 = 11,09 мкг. Ответ для сгорания 1 кг топлива теоретически требуется 0,495 кмоль воздуха. При нормальных условиях это количество воздуха занимает объем, равный 11,09 м 7.2.2. Коэффициент избытка воздуха Рассмотренные выше количество кмоль L
0
и объем V
0
воздуха для сгорания одного килограмма топлива являются теоретически необходимыми величинами, полученными на основе стехиометрических соотношений. Эти значения следует рассматривать как минимальное количество воздуха, необходимое для обеспечения полного сгорания топлива при условии, что при горении используется весь содержащийся в топливе и подаваемый вместе с воздухом кислород. В реальных условиях из-за технических трудностей ощущается местный недостаток или избыток окислителя (кислорода воздуха, в результате чего полное сгорание топлива при таких пропорциях осуществить невозможно. Поэтому воздух подается в большем количестве по сравнению сего теоретическим количеством V
0
. Отношение действительного количества воздуха д, подаваемого в цилиндры двигателя, к теоретически необходимому количеству называется коэффициентом избытка воздуха
,
= д
= д (7.10) Для дизелей различают коэффициент избытка воздуха в цилиндре
и суммарный коэффициент избытка воздуха
. В первом случае под действительным количеством воздуха понимают то его количество, которое
91 оказалось в цилиндре к моменту начала сжатия (закрытия органов газораспределения. Учитывая, что в двигателях с наддувом часть воздуха, поступающего в цилиндр через впускные органы, покидает его в процессе продувки цилиндра, для отношения количества воздуха, поданного в цилиндр, из расчета к теоретически необходимому для сгорания цикловой порции топлива, был введен коэффициент избытка воздуха суммарный Очевидно, что этот показатель не характеризует непосредственно избыток воздуха при сгорании и используется в иных случаях. Обычно в технической литературе под коэффициентом избытка воздуха понимают, если не оговаривается особо, коэффициент избытка воздуха в цилиндре. Следует иметь ввиду, что коэффициент избытка воздуха имеет оптимальные значения для различных тепловых машин и установок. Уменьшение означает ухудшение сгорания по причине недостатка воздуха и приводит к химическому недожогу топлива, а, следовательно, к снижению КПД двигателя. Увеличение α выше оптимального значения также снижает КПД, так как воздух имеет сравнительно невысокую температуру, а значит его переизбыток в зоне сгорания может снизить скорость протекающих химических реакций. Кроме того, избыточный воздух, нагреваясь в цилиндре от продуктов сгорания и стенок рабочей камеры, уносит вместе с собой теплоту, увеличивая ее потери с уходящими газами. Из практики проектирования тепловозных двигателей известно [1], что оптимальные значения
для номинальных режимов работы составляют
= 1,85 ... 2,1. На частичных режимах работы двигателя коэффициент избытка воздуха увеличивается по причине снижения цикловой подачи топлива, что сопровождается закономерным снижением индикаторного КПД двигателя. Характерное влияние коэффициента избытка воздуха на индикаторный КПД дизеля можно наблюдать на примере экспериментальных зависимостей, полученных для тепловозного дизеля Д (рис. 7.2). Наблюдаемое снижение КПД приуменьшении частоты вращения вала в области высоких значений коэффициента избытка воздуха можно объяснить увеличением времени нахождения воздуха в цилиндре двигателя и снижением его температуры. Последнее объясняется меньшими Рис. 7.2. Влияние коэффициента избытка воздуха на индикаторный КПД двигателя Д при различных оборотах коленчатого вала [1, рис. 140]: 1 – 850; 2 – 610;
3 – 560; 4 – 490; 5 – 400 мин
92 степенями повышения давления в агрегатах наддува. При этом, оба указанных фактора увеличивают тепловые потери с воздухом, что и является основной причиной снижения
i
в правой части графиков.
7.2.3. Количество продуктов сгорания Под чистыми продуктами сгорания понимают сумму количества газов, образовавшихся в результате химического взаимодействия химических элементов топлива со стехиометрически необходимым количеством атмосферного воздуха. При этом азот, содержащийся в воздухе и не участвующий в реакции окисления, тоже условно относят к продуктам сгорания. Таким образом, основываясь на стехиометрических соотношениях, записанных выше, можно установить количество двуокиси углерода, водяного пара и азота в продуктах сгорания стехиометрической смеси, те. при
= 1. Выше было установлено, что при сгорании одного килограмма углерода образуется 1/12 кмоля двуокиси углерода, сгорание одного килограмма водорода приводит к образованию 1/2 кмоля водяного пара, а окисление килограмма серы дает 1/32 кмоля сернистого ангидрида. Кроме того, в продуктах сгорания будет находиться 0,79L° кмоля азота, поступившего в цилиндр вместе с воздухом. Таким образом, при стехиометрическом сгорании имеем М СО + M
H2O
+ О + M
N2
= 0,01 (С
р
/12 + р + р) + 0,79 L°. (7.11) Кроме так называемых чистых продуктов сгорания М при избытке воздуха в цилиндре (
>1) в продуктах сгорания каждого килограмма топлива дополнительно появится 0,21 (
–1) L° избыточного кислорода и
0,79 (
–1) L° азота. Тогда количество продуктов сгорания на каждый килограмм топлива составит M
2
, кмоль/кг,
M
2
= М + 0,21 (
–1) L° + 0,79 (
–1) L° =
= 0,01 (С
р
/12 + р + р) +
L° – 0,21 L° =
= 0,01 (С
р
/12 + р + р – С
р
/12 – р – р+ р) +
L° =
= 0,01 (р + р) +
L°.
(7.12)
7.2.4. Коэффициент молекулярного изменения Как известно, рабочим телом любого поршневого ДВС является газ. В такте сжатия дизеля рабочим телом служит воздух или, строго говоря, смесь воздуха с небольшим количеством продуктов сгорания, не удаленных в процессе газообмена. Этими остаточными газами в большинстве
93 случаев можно пренебречь и приравнять количество рабочего тела до сгорания к действительно поступившему в цилиндр воздуху д, те.
M
1
≈ д
=
L
°
(7.13) С момента начала подачи топлива и до окончания сгорания в цилиндре природа рабочего тела будет изменяться. Нетрудно убедиться, что рассчитанное выше число продуктов сгорания будет больше на некую величину
M, зависящую только от состава топлива. Найдем это количество, используя полученные ранее результаты
M = M
2
– M
1
= 0,01 (р + р) +
L
°
–
L
°
=
= 0,01 (р + р. (7.14) Величина
M указывает на увеличение числа молекул рабочего тела при сгорании и, как следует из полученного уравнения, не зависит от коэффициента избытка воздуха
. Изменение молекулярного состава рабочего тела принято оценивать также и по величине коэффициента молекулярного изменения
0
, представляющего собой взаимное отношение количества рабочего тела после и до сгорания
0
= M
2
/M
1
= 1 +
M/M
1
= 1 + 0,01 (р + р) Влияние
0 на работу дизеля можно упрощенно понимать так увеличение
0 означает увеличение относительного количества газов совершающих положительную работу в цикле и уменьшение количества газов, на сжатие которых затрачивается работа в процессе их сжатия. С этой точки зрения, большие значения
0
предпочтительнее. Анализ уравнения (7.15) показывает, что увеличение α приводит к уменьшению
0
, впрочем влияние это невелико. Пример 7.4 Для заданного состава топлива (см. пример 7.2) рассчитать коэффициент молекулярного изменения при двухкратном избытке воздуха. Решение Известно, что в рабочем составе топлива содержится водород вколи- честве р
= 12,6 % и кислород в количестве О
р
= 0,4 %. Ранее было рассчитано кмоль/кг (см. пример 7.3). При
= 2 имеем
0
= 1 + 0,01 (12,6/4 + 0,4/32)/(2 ∙ 0,495) = 1,032. Ответ в процессе сгорания количество рабочего тела увеличилось в
0
= 1,032 раза.
94
7.3. Кинетическая теория горения
7.3.1. Обратимые и необратимые реакции Теория горения топлива позволяет инженеру получить представление о важнейшем для практики показателе этого процесса – скорости реакции. Под скоростью химической реакции понимают изменение количества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства. В 1865 г. Н.Н. Бекетовым ив г. Гульдбергом и Вааге был сформулирован закон действующих масс скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведенным в степени, равные их стехиометрическим коэффициентам. Рис. 7.3. Основоположники химической динамики слева – Бекетов Николай Николаевич (1827–1911); в центре – Cato Maximilian Guldberg (1836–1902); справа – Peter Waage (1833–1900) Если рассматривать реакцию между условными веществами A и B с образованием продуктов D и F, стехиометрическое уравнение которой
mA + nB
⇄ pD + qF,
(7.16) то, согласно закону действующих масс, скорости этой реакции будут равны в прямом направлении п =
П
К
m
А
С
n
В
С
n
В
С
;
(7.17) в обратном об
= об
р
D
С С,
(7.18) где m, n, p, q – количество молей соответственно вещества A, B, C и D; С, С, С, С – концентрации этих веществ п, об константы скорости реакции в прямом и обратном направлении соответственно.
95 Большинство химических реакций являются обратимыми, те. как показано вышеприведенным стехиометрическим уравнением, могут протекать как в прямом, таки в обратном направлении. Если реакция протекает достаточно длительное время, то наступает динамическое равновесие, при котором скорости в прямом и обратном направлении становятся равными друг другу. При сжигании жидких топлив равновесие, как правило, не наступает, те. реакция протекает практически только водном направлении – прямом. Исключением здесь является небольшое количество двуокиси углерода СО и водяного пара H
2
O (несколько процентов, молекулы которых при высоких температурах диссоциируют, образуя молекулы водорода H
2
и окиси углерода. Диссоциация происходит с поглощением энергии (теплоты, и поэтому нежелательна при сжигании топлив в технических устройствах, так как сокращает количество теплоты, которое можно использовать полезно. Если пренебречь диссоциацией, то реакции горения можно считать необратимыми. Энергия активации, константа скорости реакции Существует простая модель, описывающая кинетику химических реакций, известная как модель столкновений молекул. Согласно модели столкновений химические реакции, в том числе и реакции горения, требуют расщепления исходных молекул на атомы, что происходит при их соударении (рис. 7.4). Рис. 7.4. Схема модели столкновения и шведский ученый
Сванте Август Аррениус (1859–1927) – лауреат Нобелевской премии по химии (1903), автор основополагающего уравнения химической кинетики горения При этом не всякое соударение ведет к химической реакции. Необходимо преодолеть некий энергетический барьер для того, чтобы молекулы начали друг с другом реагировать. То есть молекулы должны обладать некой минимальной энергией, необходимой, по крайней мере, для расщепления молекул исходных веществ. Эта энергия получила название условной энергии активации E
a
. Количественное значение E
a
зависит только от природы топлива. Например, для дизельного топлива E
a
= 22 кДж/моль, для мазута E
a
= 35 кДж/моль. Эти значения находят опытным путем, исследуя скорости реакции горения при различных температурах. Согласно закону Аррениуса (Svante August Arrhenius, шведский ученый) скорость химических реакций определяется температурой T, частотой столкновения реагирующих молекул и энергией активации E
a
. Уравнение, предложенное Аррениусом, записывают не для скорости реакции w, как в уравнениях, а для ее константы K, входящей в эти же уравнения
0
a
E
RT
K
K e
,
(7.19) где K
0
– эмпирическая константа, μR = 8,314 кДж/(моль
К) – универсальная газовая постоянная e – основание натурального логарифма. Уравнение Аррениуса является кинетическим уравнением горения. Анализ уравнения (7.19) показывает, что скорость реакции резко (по экспоненте) возрастает при увеличении температуры.
7.3.3. Цепные реакции Разрушение межатомных связей приводит к появлению активных промежуточных элементов химической реакции радикалов, атомов, окислов, перекисей, которые тут же вступают в реакции между собой. Причем процесс протекает таким образом, что наряду с образованием конечных продуктов сгорания, образуются активные промежуточные продукты, благодаря чему поддерживается непрерывный ход реакции. Такие реакции получили название цепных реакций. В разработке теории цепных реакций большая роль принадлежит советскому ученому Н.Н. Семенову (единственный советский ученый, получивший нобелевскую премию в области химии. Принято различать разветвленные и неразветвленные цепные реакции. В первом случае количество активных центров входе реакции увеличивается, а во втором – остается постоянным. Реакции горения углеводородного топлива относятся к разветвленным цепным реакциям. Рассмотрим такую реакцию на примере горения водорода (рис. 7.5). Инициатором цепной реакции может служить любая молекула, обозначим ее условно M, которая при столкновении с молекулой водорода, разделит ее на два атома H
2
+ M = 2H +M. Образовавшиеся в результате расщепления молекулы атомы водорода становятся своего рода активными центрами. Их последующее столкновение с молекулой кислорода приводит, как это показано на схеме, к последовательной цепи реакции, результатом которой становится образование двух молекул водяного пара H
2
O и трех новых активных центров – свободных атомов водорода. Таким образом, реакция является ускоряющейся, разветвленной. Рис. 7.5. Схема цепной реакции и основоположник теории цепных реакций горения – лауреат Нобелевской премии по химии (1956) Николай Николаевич Семенов (1896–1986) Вместе стем, рост скорости горения имеет предел. Если горение происходит в ограниченном объеме, то молекулы, ударяясь о стенки рабочей камеры, частично теряют свою энергию, что сдерживает скорость распространения реакции. К такому же эффекту приводят удары о молекулы минеральных солей (примесей в топливе) и о частицы сажи. В результате, через ка- кое-то время сначала реакции, ее скорость достигает максимума и больше не увеличивается. Этот интервал времени называют периодом индукции. Цепные реакции окисления метана CH
4
и монооксида углерода (окиси углерода) CO протекают аналогично. Горение высокомолекулярных соединений имеет более сложный механизм, так как наряду с реакциями окисления происходит термическое разложение с образованием сажи, а также метана и водорода, как промежуточных продуктов горения. Такой механизм характеризуется большей продолжительностью (меньшей скоростью реакции) и увеличенным периодом индукции.
7.3.4. Диффузионное и кинетическое горение Рассмотренные выше механизмы цепной химической реакции, на основании которых можно сделать вывод о скорости протекания горения, построены на предположении, что реагирующие компоненты хорошо перемешаны друг с другом (смесь однородная) и, более того, находятся водном фазовом состоянии – газообразном. Такую смесь называют однородной гомогенной. При сжигании реальных углеводородных топлив всегда требуется время, как минимум, на смесеобразование – взаимную диффузию однородных сред в случае со сжиганием, например, газового топлива. При использовании жидких топлив, наряду с диффузией паров с воздухом, значительного времени требует процесс образования паров, а для твердых топлив – газификации и термического разложения. Полную продолжительность процесса горения п можно условно представить в виде двух интервалов п = ф
+ х, где ф – время протекания преимущественно физических процессов, в первую очередь диффузии х – время протекания химических реакций или цепных разветвленных реакций, определяющих кинетические механизмы сгорания. Возможны три варианта протекания горения. Если продолжительность физических процессов много больше продолжительности химических реакций (ф
≫ х, то горение называют диффузионным. В противном случае х
≫ ф, когда диффузия занимает незначительный интервал времени полного процесса – горение называют кинетическим. Примером кинетического сгорания топлива может послужить процесс сгорания газового топлива и легкоиспаряющегося жидкого топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием. В таких машинах рабочая смесь готовится вне цилиндра и поэтому к моменту воспламенения от электрической дуги (искры) горючая смесь представляет собой уже однородную гомогенную смесь. Такая смесь сгорает очень быстро – при термодинамическом анализе цикла считают, что выделение теплоты в таких машинах протекает изохорно. Примером диффузионного горения может послужить горение в котлах. В топочных устройствах котлов топливо и воздух подают раздельно. Поэтому даже при использовании газового топлива, будут преобладать диффузионные механизмы горения. Наконец, существует третий вариант, при котором диффузионные и кинетические механизмы играют примерно равную или соизмеримую роль. Такое горение называют промежуточным. Примером такого процесса являются некоторые случаи сгорания топлива в дизелях. За период задержки воспламенения, характерный для этих двигателей, образуется значительное количество паров топлива. Поэтому, если за начало отсчета тепловыделения принять начало самовоспламенения топлива, тов первое время, эти уже готовые к сгоранию пары топлива реагируют с избыточным кислородом воздуха с выделением теплоты по закону, близкому к экспоненциальному. Эта фаза сгорания протекает с преобладанием кинетических механизмов горения. Продолжающийся в это время впрыск топлива является причиной появления новых паров топлива, которые могут образовываться в местах рабочей камеры с недостаточным содержанием кислорода. Такие молекулы должны диффундировать в зону, богатую кислородом (или кислород из богатых областей должен диффундировать в зону очага пламени. Этот процесс требует времени. Кроме того, капля топлива должна прогреться и превратиться в пар, что также требует времени. В результате сгорание в дизеле можно рассматривать как совместное проявление двух механизмов горения кинетического и диффузионного. Для дизелей экспериментально установлено, что в зависимости от особенностей топливоподачи и режима работы сгорание может протекать в одних случаях с преобладанием кинетических механизмов, в других – диффузионных. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое рабочий, горючий и сухой состав топлива Как пересчитать один состав в другой
2. Какие элементы топлива являются горючими, а какие балластом внутренними внешним
3. Отчего зависит количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива Как определить это количество опытными расчетным путем
4. Что такое коэффициент избытка воздуха Как величина этого коэффициента влияет на экономические и экологические показатели двигателя
5. Как рассчитать теоретически необходимое количество воздуха
6. Что называют коэффициентом молекулярного изменения
7. Назовите основные положения кинетической теории горения топлива.
8. Как вы понимаете термины кинетическое и диффузионное сгорание
8. ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЯХ. Фазы сгорания
8.1.1. Период индукции В теории ДВС существуют различные подходы к определению фаз периодов) сгорания в цилиндрах дизеля. Познакомимся с двумя основными. Согласно первому, можно сказать классическому, подходу выделяют четыре фазы развития процесса 1) индукцию, 2) быстрое сгорание,
3) основное сгорание и 4) догорание. Второй подход базируется на представлении о сгорании в дизелях как о механизме промежуточного горения см. разд. 7), включающем кинетическую и диффузионную фазы. Период задержки воспламенения или период индукции считается первой фазой сгорания в дизелях. Может показаться странным, что этот процесс относят к фазе горения, так как теплота в этой фазе не только не выделяется, но даже, напротив, поглощается. Однако можно найти, как минимум, две причины рассматривать этот процесс как неотъемлемую часть сгорания. Во-первых, скорость образующихся в этой фазе паров топлива и их взаимная диффузия с воздухом решающим образом сказываются на
100 протекании всех последующих процессов. Во-вторых, согласно теории цепных реакций, первые предпламенные химические реакции, начинаются в точном соответствии со своим названием «предпламенные», те. наступающие до начала видимого горения, а, значит, – в этой (первой) фазе процесса. На индикаторной диаграмме (рис. 8.1) границы периода индукции определяются точками и 2. Точка 1 соответствует началу подачи топлива, а точка 2 – началу видимого сгорания, определяемому по характерному перегибу кривых давления p и температуры Т. Проекции этих точек на кривую температуры Т отмечены точками
1′ и 2′ соответственно. В разд. 6, посвященном процессу топ- ливоподачи, были подробно рассмотрены факторы, влияющие на продолжительность периода задержки. К ним относятся свойства топлива (в первую очередь энергия активации и цетановое число способ смесеобразования и качество распыливания топлива, определяющие скорость образования паров топлива условия в цилиндре дизеля к этому моменту (давление и температура.
8.1.2. Период быстрого сгорания Количество паров топлива, образовавшихся за период индукции, определяет, сколько теплоты выделится в следующей фазе – периоде быстрого сгорания. Границами этой фазы (рис. 8.2) являются точка 2 – начало видимого горения и точка максимум давления в цикле. Пары, образовавшиеся в этой фазе, сгорают быстро. Так как поршень при этом находится вблизи ВМТ, объем цилиндра практически не изменяется и, следовательно, процесс можно считать изохорным. В практике инженерных расчетов таки поступают – количество теплоты, выделяющейся в этой фазе, рассчитывают по формулам изохорного процесса. Рис. 8.2. Период быстрого сгорания Рис. 8.1. Период индукции
101 Известно, что анализ теоретического цикла дизеля (цикла со смешанным подводом теплоты) позволяет утверждать, что чем выше степень повышения давления в цикле
, тем выше термический КПД цикла
3 2
p
p
, где p
3
= p
max
– давление в точке 3 (максимальное давление) цикла p
2
– давление в конце сжатия (в точке 2). Вместе с ростом термического КПД двигателя, при увеличении возрастает механическая и термическая нагрузка на детали двигателя. По условиям прочности, максимальное давление в современных среднеоборотных дизелях не превышает 16 МПа. Анализ [1, табл. 24] показывает, что на период издания учебника, максимальное давление для тепловозных дизелей находилось в пределах 6,8…13 МПа, а степень повышения давления составляла от
= 1,23 (для дизеля Д) до = 1,86 (для дизеля Д. Протекание процесса в фазе быстрого сгорания влияет на так называемую жесткость сгорания. Жесткость сгорания J, МПа/градус, определяется скоростью нарастания давления и может быть рассчитана как отношение приращения давления в этой фазе к ее продолжительности в градусах угла поворота вала
p
J
,
(8.2) где
p = p
3
–p
2
– увеличение давления в фазе быстрого сгорания
=
3
–
2
– угол поворота коленчатого вала, приходящийся на период быстрого сгорания. Отрицательными сторонами чрезмерно жесткого сгорания является снижение ресурса двигателя и высокий уровень шума и вибрации при его работе.
8.1.3. Период основного сгорания Границами периода 3–4 (рис. 8.3) – периода основного сгорания – являются точки, соответствующие максимальному давлению (слева) p
3
= p
max и максимальной температуре в цикле (справа)
T
4
= T
max
. Поршень в этой фазе движется Рис. 8.3. Период основного сгорания
5.1. Основные определения. Требования, предъявляемые к топливоподающей аппаратуре Как вам уже известно, топливо в камере сгорания двигателя оказывается в результате его впрыскивания в нужной фазе цикла с помощью форсунок. Чтобы это могло происходить, нужен, как минимум, еще насос, создающий высокое давление топлива перед распылителем форсунки. Этот насос таки называют – насос высокого давления или (полностью) топливный насос высокого давления (ТНВД). К топливной или топливо-
подающей) аппаратуре (ТА) в общем случае относят ТНВД, форсунку и соединяющую их трубку. Последнюю называют трубкой высокого давления или форсуночной трубкой.
ТА является частью системы управления двигателем, так как режимы работы двигателя (мощность и частота вращения вала) определяются количеством топлива, сгорающего в цилиндрах двигателя. Таким образом, чтобы изменить режим двигателя, нужно увеличить или уменьшить количество впрыскиваемого в его цилиндры топлива. Особенности этих процессов регулирования будут рассмотрены в данном разделе. Среди функций, выполняемых ТА и соответственно требований, предъявляемых к ней, можно выделить основные и дополнительные. Основные требования, без которых нормальное функционирование двигателя невозможно в принципе, можно сформулировать следующим образом
– своевременно осуществлять подачу топлива в цилиндр двигателя
– обеспечивать необходимую продолжительность впрыскивания
– впрыскивать топливо в мелкодисперсном состоянии и обеспечить его распределение по всему объему камеры сгорания
– обеспечивать возможность регулирования количества впрыскиваемого топлива в соответствии с режимом работы двигателя. Дополнительные требования, представленные ниже, придают двигателю высокие потребительские качества, делают его конкурентоспособным, благодаря в первую очередь снижению удельного расхода топлива, а следовательно, повышению КПД. Кроме того, процессы топливоподачи определяют и экологические характеристики двигателя. Содержание вредных компонентов в отработавших газах находится сегодня под жестким контролем государства во всех развитых странах мира. Высокие потребительские свойства двигателя нельзя достичь если не обеспечить возможности регулирования начала подачи топлива при изменении режима работы дизеля
– не управлять законом подачи топлива для достижения лучших показателей работы дизеля.
5.2. Принцип работы ТА с золотниковым регулированием
5.2.1. Плунжерная пара Рассмотрим принцип работы ТА разделенного типа (рис. 5.1). Под разделеннойТА понимают такое конструктивное исполнение ТА, при котором ТНВД и форсунка разделены друг от друга. В этом случае к ТА также относят трубопровод высокого давления (ТВД) – толстостенную трубку, соединяющую ТНВД с форсункой. Рис. 5.1. Схема ТА разделенного типа 1 – плунжер 2 – нагнетательный клапан 3 – надплунжерное пространство 4 – соединительный канал
5 – клапан форсунки (игла 6 – карман форсунки 7 – распылитель
8 – магистраль низкого давления 9 – отсечное отверстие
61 Основным элементом ТНВД является плунжерная пара, состоящая из плунжера 1 и втулки, в стенке которой выполнено отверстие 9, выполняющее в общем случае функцию как наполнительного, таки отсечного отверстия (см. рис. 5.1). Плунжерная пара является прецизионной парой. Корень слова прецизионный переводится на русский как точный. На заключительной стадии изготовления плунжерной пары ее детали (плунжер и втулка) проходят совместную притирку, обеспечивающую очень небольшой зазор в несколько мкм (1 мкм = 10
-6
м. Ничтожно малые протечки топлива в таком зазоре даже при огромных давлениях (несколько тысяч бар) выполняют функцию смазки трущихся притертых поверхностей. Для понимания принципа работы ТНВД необходимо разобраться с особенностью конструкции плунжера. Верхняя часть плунжера (рис. 5.2) называется головкой плунжера или его золотниковой частью и образована кольцевой проточкой 1, вертикальным пазом 2 и спиральной кромкой 3. Благодаря вертикальному пазу 2 надплунжерная полость ТНВД и полости ниже спиральной кромки всегда сообщены друг с другом и, следовательно, давление топлива в них всегда будет одинаковое. Конструктивно роль соединительного канала вместо фрезерованного вертикального паза могут выполнять отверстия в головке плунжера вдоль оси ив радиальном направлении. При этом может отсутствовать кольцевая проточка. В последнем варианте радиальное отверстие соединяет спиральный паз с осевым сверлением и соответственно с надплунжерной полостью. При работе двигателя плунжер совершает возвратно-поступательное движение, перемещаясь вдоль оси втулки. Происходящие при этом процессы определяются взаимным положением кромок золотниковой части плунжера и отсечного отверстия. Рассмотрим возможные ситуации подробнее. Когда плунжер находится в крайнем нижнем положении, полости плунжера заполняются топливом под тем давлением, какое создает топли- воподкачивающий насос топливной системы (риса. При движении плунжера вверх (рис. 5.3, б) приоткрытом отсечном наполнительном) отверстии, он выталкивает избыток топлива обратно в магистраль низкого давления (МНД). Когда плунжер своей верхней кромкой перекроет отверстие во втулке (рис. 5.3, вдавление топлива резко возрастает. С этого момента начинается нагнетательный ход плунжера, Рис. 5.2. Золотниковая часть (головка) плунжера кольцевая проточка 2 – вертикальный паз 3 – спиральная кромка
62 называемый также активным ходом. Угол поворота коленчатого вала, соответствующий этому положению плунжера, называют геометрическим углом начала подачи топлива. Активный ход продолжается до тех пор, пока плунжер своим телом перекрывает путь топливу через отсечное/на- полнительное отверстие, те. до положения, изображенного на рис. 5.3, г. Это положение соответствует отсечке подачи топлива.
а
б
в
г
Рис. 5.3. Ключевые положения плунжера приходе вверх а – крайнее нижнее положение б – вытеснение избытков топлива в – начало активного хода г – окончание активного хода (отсечка) Таким образом, чтобы изменить количество топлива, нагнетаемого к форсунке и, следовательно, изменить цикловую подачу топлива, нужно изменить продолжительность активного хода. Для этого и служит спиральная кромка головки плунжера. Если повернуть плунжер вокруг его оси почасовой стрелке (риса, то продолжительность активного хода возрастет. За активный ход будет вытеснено V
1
мл топлива. При повороте плунжера в другую сторону активный ходи соответствующий ему объем топлива V
2
уменьшится. Если плунжер повернуть так, что вертикальный паз 2 (см. рис. 5.2) будет обращен в сторону отверстия во втулке, то активный ходи, следовательно, подача топлива станут невозможны. Это положение соответствует остановке двигателя. Обратите внимание на то, что в процессе регулирования полный ход плунжера, определяемый профилем кулачковой шайбы привода ТНВД, не изменяется. Рис. 5.4. Положения плунжера в момент отсечки при различных подачах а – активный ход h
a
= 6,5 мм б – h
a
= 5,3 мм в – h
a
= 2,5 мм Пример 5.1 Рассчитать приближенное значение цикловой подачи топлива, соответствующее положению плунжера, изображенному на риса. Диаметр плунжера принять равным п
= 13 мм, а плотность топлива т
= 860 кг/м
3
Решение Активный ход плунжера для размеров, изображенных на риса, составляет h
a
= 9,5–3 = 6,5 мм. При перемещении на такое расстояние плунжер будет выталкивать впереди себя топливо в количестве, эквивалентном объему цилиндра высотой h
a и диаметром п. Этот объем рассчитывается как п ц) ц 6,5 4
V
= 862,7 мм = 0,863 мл. При плотности топлива 860 кг/м
3
или, что тоже самое, 0,86 г/мл имеем ц
= 0,863·0,86 = 0,74 г. Ответ цикловая подача приблизительно равна 0,74 г/цикл. а б в
64 Значения основных размеров топливной аппаратуры тепловозных дизелей, а также диапазон изменения цикловой подачи можно найти в книге
Г.Б. Федотова, Г.И. Левина [3, табл. 1, на развороте стр. 10–11].
5.2.2. Распылитель форсунки Обратимся вновь к схеме ТА (см. рис. 5.1). После того, как давление топлива в полостях плунжерной пары начнет расти откроется нагнетательный клапан 2 и рост давления распространится на протяжении всей магистрали высокого давления, включая ТВД и полость под иглой форсунки так называемый, карман 6. Клапан форсунки образован иглой и корпусом распылителя. Эти детали также, как и плунжерная пара являются прецизионной парой. Высокоточной обработки требуют в первую очередь поверхности запорного конуса 1 рис. 5.5) и цилиндрические поверхности 2, направляющие движение иглы. Давление топлива в кармане форсунки создает силу т, направленную в сторону, противоположную силе от пружины п. Следует учитывать, что при закрытом клапане, в образовании силы т участвует лишь часть площади поперечного сечения иглы, а именно, – кольцевой поясок с диаметрами и и к. Диаметр и будем называть диаметром цилиндрической части иглы, а к конической. Когда клапан находится в открытом состоянии, сила создается при давлении на всю площадь поперечного сечения цилиндрической части с диаметром и. Это обстоятельство обеспечивает важную функциональную особенность работы клапана открывшись при некотором давлении p
0
клапан будет оставаться в открытом состоянии при меньших давлениях. Благодаря этому, игла, поднявшись и открыв путь топливу к сопловым отверстиям распылителя 5, уверенно поднимается до упора в ограничитель хода и остается неподвижной, в положении на упоре даже если давление топлива несколько упадет в процессе впрыскивания. Рис. 5.5. Распылитель форсунки 1 – запорный конус 2 – направляющие поверхности
3 – подводящие каналы 4 – карман 5 – соп- ловые отверстия
65 Поднимаясь вверх, игла сжимает пружину, а, следовательно, увеличивается сила п, действующая в противоположном движению иглы направлению. Пружины форсунок выполняют достаточно жесткими. Для тепловозных дизелей диапазон жесткости применяемых пружин 120…400 Н/мм. Максимальный ход иглы форсунок сравнительно небольшой. Даже для мощных тепловозных дизелей он составляет доли миллиметра для существующих двигателей от 0,45 до 0,75 мм [3, стр. 10–11]. Для того, чтобы точно вычислить силы, при которых игла отрывается от посадочного места вначале процесса впрыскивания и от упора в конечной его стадии, необходимо знать параметры пружины форсунки и максимальных ход иглы. Рассмотрим эту задачу на конкретном примере. Пример 5.2 Для геометрических параметров распылителя форсунки дизеля Д определить силу действующую на иглу распылителя в момент начала открытия, начальную затяжку пружины форсунки и давление топлива при котором начнется посадка иглы на место. Жесткость пружины считать равной Н/мм. Давление открытия иглы принять равным паспортному p
0
[3, стр. 10–11]. Решение Для форсунки дизеля Д поданным, табл. 1] имеем
– давление начала открытия иглы p
0
= 31,4 МПа
– ход иглы до упора и
= 0,75 мм
– диаметр цилиндрической части иглы и
= 8 мм
– диаметр конической части иглы к
= 6 мм. Начальная площадь поверхности иглы и, на которую давит топливо в закрытом положении клапана рассчитывается как площадь кольцевой поверхности с наружным диаметром и и внутренним к
2 2
2 и кии к 4
4
d
d
f
d
d
,
(5.2) и 64 36 4
f
= 21,99 мм
2
При давлении p
0
= 31,4 МПа, действующем на эту площадку, игла начинает подниматься. Значит сила, при которой игла начинает открываться т = и
p
0
,
(5.3)
66 Учитывая, что 1 МПа = 10 6
Па, а 1 мм = 10
-6
м, получаем т
= 21,99
10
-6
31,4
10 6
= 21,99
31,4 = 690 Н. В момент отрыва иглы сила давления равна силе пружины, а значит, сила предварительной затяжки пружины форсунки была также пр
= 690 Н. Связь между сжатием пружины и силой пр, развиваемой ей, устанавливается простым уравнением пр
= k
пр
l
пр
,
(5.4) где пр – жесткость пружины пр – величина сжатия пружины (изменение длины пружины по сравнению с ненагруженным состоянием. Поэтому, пружина с заданной жесткостью 320 Н/мм будет развивать усилие 690 Несли поджата на величину
l
0
= 690 / 320 = 2,16 мм. При движении иглы к упору, пружина дополнительно сжимается на величину и. При этом сила действия пружины на иглу увеличивается ив соответствии спр Н. Приподнятой игле давление топлива воздействует на площадку и и и 4
d
f
,
(5.5) и 8
4
f
= 50,27 мм
2
Поэтому силана иглу со стороны топлива, при условии, что давление по-прежнему равно 31,4 МПа т
= 50,27
31,4 = 1578 Н. Игла при таких давлениях будет плотно прижата к упору (F
т1
>F
пр1
). Предельное давление, при котором игла остается открытой, соответствует условию т
= пр, которому соответствует давление топлива к
= 931 / 50,27 = 18,5 МПа. Ответ силана иглу в момент начала открытия составляет 690 Н, что соответствует начальному сжатию пружины 2,16 мм. Посадка иглы начинается при давлении меньше 18,5 МПа.
67
5.3. Диаграмма давления топлива Рассмотрим процесс впрыскивания топлива, следя за давлением в трубопроводе высокого давления (ТВД). Для начала будем опираться в своих рассуждениях на статическую теорию, согласно которой, давление в один и тот же момент времени одинаково по всей длине ТВД. Динамикой движения клапанов насоса и форсунки также будем пренебрегать. Начнем с момента, когда плунжер находится в нижнем положении, игла форсунки и нагнетательный клапан (см. рис. 5.1) закрыты. В ТВД при этом будет топливо под давлением, оставшимся от предыдущего цикла. Это давление таки называют остаточным ост. Так как ТВД герметично закрыт с обеих сторон, давление ост остается неизменным на протяжении большей части цикла двигателя (рис. 5.6). По мере движения плунжера вверх приоткрытом наполнительном отверстии, топливо вытекает из надплунжерного пространства обратно в магистраль низкого давления (МНД). Когда плунжер полностью перекрывает отверстие, начинается рост давления в насосе и очень скоро это давление достигает остаточного и становится больше его открывается нагнетательный клапан, и с этого момента (точка 1 на рис. 5.6) давление начинает расти не только в полостях насоса, но также в ТВД ив форсунке. Угол поворота коленчатого вала н
можно назвать углом начала подачи топлива насосом, он приблизительно равен геометрическому углу начала подачи топлива. Рис. 5.6. Теоретическая диаграмма давления в ТВД: 1 – начало активного хода плунжера 2 – начало впрыскивания 2–3 – заполнение топливом освободившегося объема 4 – отсечка топлива 5 – закрытие нагнетательного клапана
6 – посадка иглы
68 При достижении давления начала впрыскивания p
0
, которое (как было рассмотрено выше) определяется силой затяжки пружины форсунки, игла отрывается от своего седла и устремляется вверх, к упору, освобождая при этом дополнительный объем топливу. Это приводит к тому, что давление топлива в кармане форсунки несколько уменьшается. На диаграмме давления это отражается коротким участком 2–3. Кроме заполнения освободившегося пространства, топливо начинает вытекать из форсунки через сопло- вые отверстия. Угол ф соответствует началу подачи топлива форсункой, его также называют действительным углом начала подачи топлива. Далее надо учитывать совместное протекание двух противоположных процессов. С одной стороны, плунжер продолжает свой активный ходи это должно вести к росту давления, ас другой стороны, топливо вытекает из распылителя – это должно вести к снижению давления. Реальная картина определяется балансом количества поступающего со стороны ТНВД и вытекающего из форсунки топлива. Диаметры сопловых отверстий малы, а скорость плунжера велика. Поэтому, по-крайней мерена режимах большой мощности двигателя давление после точки 3 растет, но уже нес таким темпом, как на участке 1–2. Когда плунжер достигает положения отсечки, топливо перестает нагнетаться в ТВД и даже, наоборот, начинает вытекать изначального участка трубки в штуцер и через каналы головки плунжера и отсечное отверстие в
МНД. Давление в ТВД резко падает (участок 4–5), так как в это время трубка открыта с обеих сторон со стороны ТНВД и со стороны форсунки. Поскольку падение давления в полости насоса происходит быстрее, нагнетательный клапан закрывается (точка 5) и причиной продолжающегося падение топлива в ТВД является все еще открытый клапан форсунки. Посадка иглы форсунки начинается когда давление снизится до величины p
к
Как только игла сядет в седло (точка 6), восстановится герметичность
ТВД, и давление, которое окажется в этот момент времени (остаточное давление ост, не будет изменяться в ТВД до следующего цикла впрыскивания. Рассмотренный процесс позволяет понять основное назначение нагнетательного клапана – сохранить в ТВД высокое остаточное давление, что в свою очередь позволяет сократить активный ход плунжера и улучшить стабильность процесса впрыскивания от цикла к циклу. Как было сказано выше, процесс впрыскивания рассматривался нами упрощенно, с позиций статической теории. В действительности при работе дизелей средней быстроходности и, тем более, быстроходных нельзя пренебрегать динамическими факторами. Анализ экспериментальных осциллограмм давления (рис. 5.7) показывает, что наряду с общими закономерностями теоретической диаграммы, реальная характеристика содержит отчетливо развитые последствия волнового характера движения топлива.
69 Особенно сильно это заметно после посадки иглы в фазе колебаний остаточного давления, что может привести к нежелательному повторному подъему иглы (см. линию 2 на риск так называемому
подвпрыску. Вред подвпры- сков не только в том, что топливо поступает в камеру сгорания слишком поздно (количество это ничтожно мало, сколько в том, что происходит это при малых давлениях, вяло. Капелька топлива остается на кончике распылителя ив условиях высоких температур и недостатка кислорода может превратиться в кокс. Закокосовывание распылителей форсунок – одна из проблем в эксплуатации, свойственная в том числе и для тепловозных дизелей, работающих длительное время на холостом ходу. Экспериментально и теоретически установлено, что колебания остаточного давления будут тем интенсивнее, чем резче нарастает давление в процессе впрыскивания и чем длиннее трубопровод. Если первую причину устранить невозможно, – ведь это основа качественного распыливания топлива, то вторую – можно вполне. Стремление сократить длину ТВД привело к распространению индивидуальных ТНВД для габаритных дизелей (рис. 5.8), в отличие от блочных ТНВД, применяемых на автотракторных дизелях. При блочном исполнении плунжерные пары расположены водном корпусе, в котором находится и приводной кулачковый вал. Блочные насосы удобнее в обслуживании, не требуют трудоемких регулировок на двигателе, так как все ответственные операции можно выполнить в условиях топливного цеха. Среди тепловозных дизелей блочные ТНВД установлены на цилиндровых образных двигателях М, доживающих свой век на тепловозах серии ТГ16 Сахалинской железной дороги. Решить проблему негативного влияния ТВД можно и радикально. Таким решением является насос-форсунка (рис. 5.9). Рис. 5.7. Экспериментальные осциллограммы давления в ТВД 1 и перемещения иглы форсунки для ТА дизеля Дна режиме полной мощности поданным, рис. 85]
70 Рис. 5.8. Индивидуальные (аи блочный (б) ТНВД: 1 – форсунка 2 – топливный факел
3 – ТНВД; 4 – приводной вал 5 – штуцер форсунки 6 – ТВД; 7 – электромагнитный клапан 8 – пружина возврата плунжера 9 – ролик толкателя [4, стр. 276] Рис. 5.9. Расположение насосов-форсунок на дизеле
1 – коромысло 2 – распределительный вал 3 – электромагнитный клапан 4 – распылитель форсунки [4, с. 266] В этом случае плунжерная пара и распылитель выполнены водном корпусе и имеют короткие каналы. Насосы-форсунки позволяют получить более высокие давления распыливания, благодаря жесткой конструкции. Опыт эксплуатация дизелей показывает, что рост давления впрыскивания может стать причиной разрыва трубопроводов и возникновения пожаров в машинном отделении. Для повышения безопасности, трубки могут выполняться с двойными стенками. а б
71
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 12
5.4. Конструкция топливной аппаратуры дизеля типа Д
5.4.1. ТНВД дизеля типа Д На дизелях типа Д, находящихся в настоящее время в эксплуатации, установлены индивидуальные ТНВД гидромеханического типа с золотниковым регулированием цикловой подачи. Принцип работы такой аппаратуры рассмотрен выше.
ТНВД (рис. 5.10) приводится в действие от кулачковой шайбы, расположенной на распределительном валу в лотке двигателя. Шайба, набегая на ролик толкателя 2, приводит к его перемещению вдоль оси насоса по направляющим 1. Пружина 4 при этом сжимается. Таким образом, обеспечивается возвратно-поступательное движение плунжера 7 во втулке 11. Рис. 5.10. ТНВД дизеля типа Д 1 – направляющая втулка толкателя 2 – толкатель
3 – резиновые кольца 4 – пружина 5 – поворотная шестерня 6 – рейка 7 – плунжер
8, 10 – штуцеры 9 – нагнетательный клапан 11 – втулка плунжера 12 – тарелки пружины корпус ТНВД; 14 – регулировочные прокладки Топливо из магистрали низкого давления с давлением порядка 2,5...3 МПа по штуцеру 7 заполняет общую полость для наполнительных и отсечных отверстий втулки 11. Регулирование осуществляется поворотом плунжера вокруг своей оси с помощью реечного механизма, преобразующего поступательное перемещение рейки 6 во вращательное движение плунжера 7. Большая часть цикла ТВД и полости насоса разобщены закрытым нагнетательным клапаном 9, который открывается вначале активного хода плунжера, когда давление в насосе достигает остаточного давления в ТВД.
72 В этой части цикла топливо по отверстию в штуцере 10 направляется по
ТВД к форсунке. Угол опережения подачи топлива определяется моментом полного перекрытия телом плунжера отверстий во втулке (см. рис. 5.3, в) ив рассматриваемой конструкции должен быть отрегулирован на двигателе с помощью правильного подбора толщины прокладок 14 между корпусом направляющей втулки толкателя 1 и поверхностью стыка на лотке двигателя. Особенностью ТНВД дизеля Д в сравнении с другими ТНВД отечественных тепловозных дизелей является форма золотниковой части плунжера, обеспечивающая регулирование подачи топлива как по концу (те. нижней кромкой, таки поначалу (верхней кромкой) активного хода. С этой целью верхняя кромка плунжера также выполнена по спирали. Регулирование подачи топлива поначалу позволяет обеспечить изменение угла опережения подачи топлива на различных режимах работы. По форме головки плунжера Д можно видеть, что увеличенным подачам соответствует ранний впрыск, так как верхняя кромка будет перекрывать отверстие раньше. Это сделано, конечно, осмысленно. Расчет строится на том, что с большими подачами топлива двигатель работает на больших оборотах коленчатого вала и поэтому, учитывая, что процессы смесеобразования должны успеть завершиться за более короткий промежуток времени, впрыск надо начинать раньше. Таким образом, мы познакомились со способом изменения угла опережения подачи топлива без применения электроники. Современные системы работают более гибко и будут рассмотрены в следующей лекции. Значения углов опережения подачи топлива, принятые для тепловозных дизелей можно посмотреть в [1, табл. 24].
5.4.2. Форсунка дизеля типа Д Форсунка дизеля типа Д (рис. 5.11) имеет жесткий массивный корпус, исключающий заклинивание иглы из-за перекоса при монтаже, имевшее место в более ранних конструкциях. Сразу за входным штуцером 1 располагается щелевой фильтр 14 – последний барьер для абразивных частиц, не задержанных фильтрами грубой и тонкой очистки топливной системы тепловоза. Далее топливо по каналу а попадает в карман распылителя и при достижении давления начала открытия форсунки 31,4 МПа (для модификации Д) поднимает иглу 13, открывая путь к сопловым отверстиям распылителя 12, вноске которого выполнены сопловые отверстия.
73 Рис. 5.11. Форсунка дизеля типа Д 1, 2 – штуцеры регулировочный штуцер 4 – тарелка
5, 8 – резиновые кольца 6 – пружина 7 – корпус толкатель, 10 – колпак 11 – корпус иглы распылитель 13 – игла 14 – щелевой фильтра, б – каналы Игла перемещается по направляющим корпуса 11, составляя совместно с ним прецизионную пару. Давление начала подачи топлива регулируется силой затяжки пружины 6, усилие от которой передается к игле через толкатель. Для регулировки предусмотрен нажимной штуцер 2, ввернутый по резьбе в корпус форсунки и упирающийся через тарелку 4 в пружину. Особенностью форсунки дизеля Д можно назвать конструкцию распылителя. В отличие от рассмотренного выше, этот узел состоит из трех деталей иглы 13, корпуса 11 и собственно распылителя 12. Корпус иглы и распылитель плотно прижимаются друг к другу колпаком 10, соединенным резьбой с корпусом форсунки. Протечки топлива вдоль направляющей иглы обеспечивают ее смазку и безызносную работу. Это топливо попадает во внутренние полости форсунки, в которых расположены пружина, толкатель и другие детали, откуда отводится в дренажную магистраль через штуцер 2. Аналогично отводятся протечки топлива через сопряжение распылителя с корпусом иглы. С этой целью предусмотрен канал б в корпусе форсунки. Так как форсунка в крышке цилиндра дизеля установлена под углом коси цилиндра, правильное взаимное пространственное расположение образующегося при впрыскивании топливного факела и поверхностей камеры сгорания достигается соответствующим расположением сопловых отверстий в кончике распылителя. Их число и диаметр могут отличаться для различных модификаций. Для тепловозного дизеля Д применяется распылитель с девятью отверстиями диаметром 0,4 мм.
74 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Перечислите требования, предъявляемые к топливоподающей аппаратуре дизеля, разделив их на основные и дополнительные.
2. Изобразите схему топливной аппаратуры разделенного типа, опишите принцип ее работы.
3. Каким образом осуществляется регулирование цикловой подачи топлива в дизелях с топливной аппаратурой гидромеханического типа
4. Какие прецизионные пары присутствуют в топливной аппаратуре дизеля
5. Изобразите примерный вид диаграммы давления топлива перед форсункой в процессе впрыскивания топлива.
6. Поясните отличия между индивидуальным, блочным ТНВД, насосом- форсункой.
7. Назовите основные элементы ТНВД и форсунки тепловозного дизеля типа Д. Проверьте себя на способность находить их на схемах.
6. ТОПЛИВОПОДАЮЩАЯ АППАРАТУРА С ЭЛЕКТРОННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Впрыск топлива начинается с опережением относительно ВМТ на несколько градусов угла поворота коленчатого вала. Этот угол называют углом опережения подачи топлива и его величина для существующих тепловозных дизелей может составлять от 10 до 30 градусов [1, табл. 24]. Уже для самых ранних конструкций дизелей было установлено, что существует некий оптимальный для данного двигателя угол опережения подачи топлива, при котором процесс сгорания протекает наилучшим образом. Для среднеоборотных четырехтактных двигателей это имеет место при начале воспламенения вблизи ВМТ – за несколько градусов до ВМТ. Интервал времени от начала подачи топлива и до его воспламенения называется периодом индукции или периодом задержки воспламенения. Период задержки воспламенения
i
определяется свойствами топлива и скоростью образования паров топлива в цилиндре. Способность дизельного топлива к самовоспламенению определяется цетановым числом.
6.1. Цетановое число Цетановое число (ЦЧ) – важный показатель воспламеняемости топлива, характеризует способность топлива к самовоспламенению и определяет период задержки воспламенения (самовоспламенения) топлива. Чем
75 выше цетановое число, тем короче эта задержка. Период задержки воспламенения является первой фазой сгорания в дизелях, которая во многом определяет протекание последующих фаз быстрого и основного сгорания. Название ЦЧ своим происхождением обязано углеводороду с хорошей воспламеняемостью гексадекану (цетану) C16H34, чья способность к самовоспламенению условно принята за 100 %. Другой углеводород – альфа- метилнафталин C11H10 обладает плохой воспламеняемостью, принимаемой также условно) за 0 %. Таким образом дизельное топливо с ЦЧ = 45 % обладает такой же воспламеняемостью, как смесь 45 % цетана с 55 % альфа- метилнафталина. Рассмотрим влияние цетанового числа на процесс сгорания (рис. 6.1). Рис. 6.1. Графики относительной скорости тепловыделения (сверху) и давления в цилиндре (снизу) при различных значениях ЦЧ (моделирование для частичного режима дизеля Д) При коротких задержках воспламенения (топливо с большим ЦЧ) к началу самовоспламенения в цилиндре оказывается сравнительно небольшое количество паров топлива, горение которых сопровождается соответственно выделением небольшого количества теплоты, что приводит к меньшему росту давления в цикле (в сравнении с более продолжительной задержкой. Поэтому, несмотря на то, что воспламенение наступает раньше ВМТ (360° угла поворота коленчатого вала) процесс сгорания протекает мягче, с меньшими скоростями нарастания давления. Пары топлива, которые продолжают образовываться в цилиндре после вспышки, начинают гореть практически без задержки, подпитывая возникший в рабочей камере очаг пламени. Таким образом, действительный цикл дизеля смещается в сторону цикла с подводом теплоты по изобаре (уменьшается степень изменения давления в цилиндре и увеличивается степень предварительного расширения. При больших задержках воспламенения процесс принимает обратный характер. Вспышка происходит позже, иногда даже на линии расширения, но несмотря на то, что объем цилиндра в этой фазе цикла может уже увеличивается, давление нарастает быстро, достигает больших значений в максимуме. Такой процесс сгорания называют жестким. Сточки зрения оптимальной организации рабочего процесса цетановое число не должно быть ни слишком малым, ни слишком большим. Считается, что при традиционной организации рабочего цикла дизеля (однофазный впрыск) оптимальные значения приходятся на интервал ЦЧ = 40...50. Современные стандарты устанавливают следующие требования не ниже 45 единиц вне зависимости от марки топлива по ГОСТ [5] и не ниже 51 единиц для топлива Евро [6]. Наметившаяся тенденция по увеличению нижнего порога для ЦЧ обусловлена распространением электронных систем управления топливоподачей в дизелях, позволяющих распределять впрыск на несколько фаз. Для таких систем предпочтительнее является топливо с высоким цетановым числом.
6.2. Продолжительность периода задержки воспламенения и необходимость изменения угла опережения подачи топлива Наряду с цетановым числом на период задержки воспламенения оказывает влияние скорость образования паров топлива. Эта величина, в свою очередь, зависит от дисперсности распыливания топлива и условий в цилиндре. Чем меньше капельки топлива, темна большее число капель разделяется цикловая порция топлива и, следовательно, больше поверхность, с которой происходит образование паров. Таким образом, период задержки воспламенения сокращается приросте давления впрыскивания и уменьшении диаметра сопловых отверстий распылителя форсунки. И, наконец, третьим существенным фактором, оказывающим влияние на скорость образования паров топлива, является температура, влияние которой однозначно чем больше температура, тем короче период задержки воспламенения.
77 Продолжительность периода задержки воспламенения
i
для дизельного двигателя может быть ориентировочно рассчитана по эмпирическим формулам. Одной из наиболее распространенных формул является формула АИ. Толстова
RT
E
p
T
a
i
exp
,
(6.1) где B – константа, зависящая от степени сжатия, конструкции КШМ дизеля и частоты вращения коленчатого вала T, p – температура и давление воздуха в цилиндре E
a
– условная энергия активации предпламенных реакций топлива (E
a
= 23000...28000 кДж/кмоль); R – газовая постоянная. На режимах работы двигателя, близких к номинальному, период задержки воспламенения составляет 1…2 мс, а на режимах холостого хода и частичной нагрузки – до 5 мс и более. Необходимость изменения угла опережения подачи топлива возникает, прежде всего, из-за того, что при изменении скоростного режима один и тот же период задержки воспламенения топлива будет приходиться на разный интервал угла поворота коленчатого вала. Рассмотрим это на конкретном примере. Пример При работе двигателя с частотой вращения коленчатого вала 900 мин
-1
угол опережения начала подачи топлива составляет 10°. Рассчитайте угол поворота кв, при котором начинается сгорание топлива, если период задержки воспламенения равен 1,2 мс. Как изменится угол начала сгорания, если обороты уменьшатся домина продолжительность задержки воспламенения останется той же Решение При частоте вращения 900 мин за одну секунду (1000 мс) вал совершает
900/60 = 15 оборотов или 15∙360 = 5400 градусов. Составим пропорцию
5400 градусов – 1000 мс
x градусов – 1,2 мс. Следовательно, неизвестный интервал угла поворота коленчатого вала
x = 1,2 мс ∙ 5400°
/ 1000 мс = 6,48°. Таким образом, при подаче топлива за 10° до ВМТ его самовоспламенение произойдет через 6,48° или за 3,52° до ВМТ.
78 Повторим вычисления для 600 мин. За одну секунду вал совершает
10 оборотов или 3600°:
3600° – 1000 мс
x градусов – 1,2 мс. В результате вычислений получаем x = 1,2 мс ∙ 3600°
/ 1000 мс = 4,32°. Таким образом, вспышка топлива произойдет за 6,68° до ВМТ. Ответ при частоте вращения 900 мини продолжительности периода задержки воспламенения 1,2 мс сгорание начинается за 3,52° до ВМТ, а при 600 мин – за 6,68° до ВМТ. Рассмотренный пример показывает влияние скоростного режима на начало сгорания топлива, впрыскиваемого при одной и той же фазе цикла. И хотя, в действительности, уменьшение частоты вращения влечет за собой снижение качества распыливания топлива и, следовательно, увеличение, рассмотренная в примере тенденция преобладает. Поэтому для того, чтобы сгорание топлива начиналось в оптимальной фазе цикла необходимо изменять угол опережения подачи топлива при изменении скоростного режима двигателя. На малых оборотах топливо следует впрыскивать позже (угол опережения должен быть меньше) и наоборот – на больших оборотах угол опережения следует увеличивать. Один из вариантов регулирования угла опережения подачи топлива был рассмотрен ранее. Этот вариант реализуется в двигателях с гидромеханической топливной аппаратурой за счет выполнения верхней кромки золотниковой части плунжера по спирали. При этом следует понимать основное несовершенство данного подхода регулирование осуществляется не по причине изменения частоты вращения, а из-за изменения цикловой подачи. Эти параметры находятся в сложной взаимосвязи. Более гибкое решение проблемы дает топливная аппаратура с электронным управлением топливоподачей.
6.3. Индивидуальные насосы и насосы-форсунки с электромагнитными клапанами Пожалуй, наиболее простым способом модернизации существующих дизелей тепловозов является применение индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном. Этот способ предполагает замену только ТНВД и системы управления. Такой ТНВД имеет незначительное увеличение габаритов, обусловленное размерами катушки электромагнитного клапана и устанавливается в посадочное место гидромеханического ТНВД. Форсунка и трубка высокого давления (ТВД) могут использоваться прежние.
79 Создание высокого давления таким ТНВД осуществляется также, как ив традиционных системах – в плунжерных парах. Конструктивно плунжерная пара выполнена проще, плунжер не имеет сверлений и спиральных проточек, так как управление началом и концом впрыскивания топлива осуществляется с помощью электромагнитного клапана. Ход плунжера, определяемый профилем кулачковой шайбы, рассчитывается так, чтобы гарантированно обеспечить максимально возможные подачи топлива. Основная идея, лежащая в основе работы таких насосов заключается в следующем. Большую часть времени цикла электромагнитный клапан обесточен ив этом положении сообщает надплунжерную полость с магистралью низкого давления (МНД). Если плунжер движется вниз, то топливо из МНД – проходи через открытый клапан и заполняет полости насоса. Если плунжер движется вверх, то топливо из надплунжерной полости перетекает обратно в МНД. Рассмотрим работу такого ТНВД рис. 6.2). Вместо нагнетательного клапана в верхней части корпуса
ТНВД установлен электромагнитный клапан с управляющим поршнем. Цилиндрический управляющий поршень 11, ходит по гильзе 12 в верхней части корпуса 14 ТНВД. На этом поршне со стороны катушки электромагнита 9 находится игла с конической посадочной поверхностью, которая взаимодействует с седлом в гильзе. Там же укреплена пластина 7 якоря, которая при подаче напряжения на катушку притягивается электромагнитом, преодолевающим силу возвратной пружины клапана. При этом управляющий поршень переходит в закрытое положение, при котором игла плотно прилегает к седлу. В таком положении давление топлива над плунжером, в штуцере насоса и соответственно в ТВД начинает расти. Рис. 6.2. Схема индивидуального ТНВД с электромагнитным клапаном 1 – плунжер канал обратного слива топлива
3 – упорная пластина 4 – камера впуска
5 – канал подвода топлива 6 – штуцер магистрали высокого давления 7 – пластина якоря 8 – штекер соединения с блоком управления 9 – катушка электромагнитного клапана 10 – возвратная пружина клапана 11 – управляющий поршень 12 – втулка управляющего поршня 13 – камера высокого давления
14 – корпус ТНВД
80 Открытие форсунки происходит как обычно при достижении давления, регулируемого затяжкой пружины форсунки. Для окончания подачи топлива катушка электромагнита обесточивается, пружина клапана сдвигает управляющий поршень от магнита, открывая проходное сечение клапана и прижимая управляющий поршень к упорной пластине 3. Давление падает в полостях насоса, штуцера и ТВД и при достижении определенной величины пружина форсунки закрываете клапан – впрыск прекращается. Опыт эксплуатации таких ТНВД показывает более высокие скорости повышение давления в ТВД и, как следствие этого, увеличение риска разрыва форсуночных трубок. Более надежными в этом отношении являются системы с насосами-форсунками, оснащенными электромагнитным клапаном (рис. 6.3). Рис. 6.3. Схема работы насоса-форсунки с электромагнитным клапаном 1 – кулачок привода 2 – плунжер 3 – возвратная пружина 4 – камера высокого давления
5 – управляющий клапан 6 – камера электромагнитного клапана 7 – канал подвода топлива 8 – канал обратного слива топлива 9 – катушка электромагнита 10 – седло клапана 11 – игла распылителя Перемещение плунжера 2 осуществляется с помощью кулачковой шайбы и возвратной пружины 3. В обесточенном состоянии катушки 9, игла 5 своей пружиной прижата к упору (риса, при этом камера высокого а б в г
81 давления 4, полости подвода 7 и отвода 8 топлива через камеру клапана 6 сообщены друг с другом и поэтому давление в них одинаково и равно давлению в МНД. При этом, если плунжер движется вверх (риса, то топливо по каналу 7 поступает в насоса если вниз (рис. 6.3, б) – выталкивается плунжером из насоса по каналу 8. При подаче напряжения на катушку 9, клапан 5 садится в свое седло 10, разобщая полость высокого давления 4 от каналов 7 и 8. Давление в 4 начинает расти, игла распылителя 11 поднимается, преодолевая силу сжатия своей пружины – происходит впрыскивание топлива (рис. 6.3, в. Подача топлива завершается при обесточивании катушки (рис. 6.3, г. При этом полость 4 вновь соединяется через полость клапана 6 с каналами 7 и 8.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 12
6.4. Аккумуляторная система Наиболее совершенной на сегодняшний день системой топливоподачи является система Common Rail или, по-русски – аккумуляторная система рис. 6.4). В отличие от рассмотренных выше систем, в которых впрыск должен начаться и закончиться в течение нагнетательного хода плунжера, в аккумуляторной системе впрыск можно осуществить в любой момент времени, благодаря тому, что в аккумуляторе всегда поддерживается высокое давление топлива. При работе двигателя плунжерный топливный насос 1 создает высокое давление топлива в общем для всех цилиндров двигателя аккумуляторе 5, от которого по трубкам высокого давления 4 топливо подводится к электрогидравлическим форсункам 9 каждого цилиндра. В форсунках имеется два клапана основной (игла) и дополнительный, нормально закрытый электромагнитный клапан. При обесточенном состоянии катушки клапана полости б над иглой) испод иглой) находятся под одинаково высоким давлением и, благодаря пружине, игла плотно сидит в своем седле. Полости форсунки а находятся под низким давлением, так как всегда сообщены трубопроводом с топливным баком. При подаче напряжения на катушку магнитное поле притягивает якорь клапана, который открывает сообщение топлива между полостями аи б. Давление в полости б резко падает ив результате, сила, удерживающая иглу в седле, уменьшается – игла поднимается и начинается впрыск. При обесточивании катушки электромагнитный клапан закрывается, разобщая полости аи б. Давление топлива в полости б восстанавливается до уровня давления в аккумуляторе и суммарная сила пружины и давления топлива прижимает иглу к седлу – впрыск прекращается.
82 Рис. 6.4. Схема аккумуляторной системы (Common Rail): 1 – топливный насос 2 – клапан отключения плунжерной секции 3 – штуцер насоса 4 – магистраль высокого давления 5 – аккумулятор 6 – датчик давления топлива 7 – ограничитель пропускной способности 8 – перепускной клапан (ограничитель давления 9 – электрогидравлическая форсунка 10 – блок управления Таким образом, перемещение иглы происходит под действием разницы сил, создаваемых пружиной и давлением топлива в полостях бис. Когда давление в этих полостях одинаково (б
= с) – игла закрыта (прижата пружиной. Когда давление в полости б меньше, чем в полости с (б
< с) – игла открыта. Поэтому такие форсунки получили название электрогидравлические. Главным преимуществом аккумуляторных систем является возможность осуществления многократных впрыскиваний топлива за один цикл. Например, в автомобильных двигателях впрыск топлива может быть разделен натри фазы предварительный, основной и дополнительный. Следует отметить, что в рассмотренных выше системах впрыскивание также может быть многофазным, однако давление топлива при этом существенно зависит от скорости движения плунжера ТНВД. Только аккумуляторная система позволяет осуществить качественное распыливание впрыскиваемого топлива в любой фазе цикла.
83
6.5. Топливная аппаратура тепловозных и судовых среднеоборотных дизелей Наиболее простым направлением модернизации систем управления существующих отработанных конструкций двигателей с индивидуальными ТНВД является установка ТНВД с электромагнитным клапаном. Российским предприятием «Дизельавтоматика» разработаны опытные образцы (рис. 6.5) топливной аппаратуры для тепловозных дизелей типа Д (ЧН26/26) и Д (ЧН31,8/33). Рис. 6.5. Опытный ТНВД дизеля типа Д [5, рис. 10]: 1 – упор 2 – корпус электрогидравлического клапана 3 – втулка 4 – затвор 5 – проставок; 6 – якорь 7 – электромагнит пружина возвратная 9 – фланец нажимной 10 – фланец промежуточный корпус насоса 12 – кольцо стопорное 13 – тарелка 14 – стакан 15 – плунжер пружина плунжера 17 – коллектор подвода топлива 18 – клеммы выводные отверстие для подвода топлива б – отверстие для отвода топлива В работе [5] опубликованы временные диаграммы работы ТНВД, иллюстрирующие одну из проблем, с которой сталкиваются конструкторы и разработчики подобных систем – это временная задержка между управляющими сигналами от бортового компьютера и процессами в системе топливоподачи (рис. 6.6). Рис. 6.6. Осциллограммы двухфазной подачи [5, рис. 10] Показанный в верхней части рисунка сигнал прямоугольной формы следует рассматривать как последовательность команд компьютера системы управления высокий уровень – начать подачу, низкий уровень – прекратить. При этом видно, что давление в топливопроводе начинает расти с задержкой
(
3
= 3,6 мс. За время этой задержки коленчатый вал поворачивается на несколько градусов (в рассматриваемом случае
3
= 11°). Главная причина этой проблемы кроется в индуктивности катушки электромагнитного клапана. Альтернативным электромагнитным клапанам вариантом является применение пьезоэлектрических актуаторов, работающих на основе обратного пьезоэлектрического эффекта. Такие клапаны дороже, но обладают лучшим быстродействием. Ведущие мировые производители топливной аппаратуры
(Bosch и Denso) внедряют эти технологии в электрогидравлических форсунках, в первую очередь, для автомобильных дизелей.
85 Как ив случае с электромагнитными форсунками, в пьезоэлектрических форсунках актуатор перемещает дополнительный управляющий клапан форсунки, а основной клапан – игла перемещается силами, создаваемыми давлением топлива. Дополнительные сведения о работе современных систем топливопода- чи современных дизелей можно найти в книге [4]. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое цетановое число Как эта характеристика влияет на работу дизеля
2. В чем, по вашему мнению, основная причина необходимости изменения угла опережения подачи топлива
3. Опишите работу индивидуального ТНВД с электромагнитным клапаном. В чем его преимущества перед ТНВД гидромеханического типа
4. Назовите отличительные особенности насосов-форсунок с электромагнитными клапанами.
5. Опишите работу аккумуляторной системы подачи топлива. Какими преимуществами обладает такая система перед другими
6. Перечислите основные элементы индивидуального ТНВД с электронным управлением, разработанного для тепловозного дизеля типа Д.
7. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА. Топливо и теплота его сгорания
7.1.1. Состав топлива Одной из основных характеристик органического топлива является его элементарный химический состав, определенный по рабочей массе топлива (те. по массе в том виде, в каком топливо сжигается в рабочей камере двигателя
С
р
+Н
р
+ р + О
р
+ р + Ар + р = 100 %, где С
р
, Н
р
, р, О
р
, р – соответственно содержание углерода, водорода, серы и кислорода в рабочей массе топлива в процентах р – механические примеси (пыль) и зольность р – влагосодержание. Влага в топливе томили ином количестве есть всегда. Вода попадает в жидкое топливо при пропарке цистерн, при транспортировке, из-за конденсации атмосферной влаги при хранении топлива. Жидкое топливо отстаивают, часть воды оседает и утилизируется, часть воды остается в топливе.
86 По стандарту [5] содержание воды (или влагосодержание W) в дизельном топливе не должно превышать 200 мг на кг топлива (W = 0,002 %), однако в рабочем составе влагосодержание р может в десятки и сотни раз превышать стандартную характеристику. Повышенное содержание воды приводит к снижению теплоты сгорания топлива и увеличению его расхода, снижает смазывающие свойства топлива, приводя к повышенному износу топливной аппаратуры, а в зимний период может стать причиной отказа двигателя из-за образования ледяных пробок в топливной системе
Содержание механических примесей и воды в топливе представляют собой его внешний балласт, ухудшающий теплотехнические характеристики любого вида топлива. Различают также горючую и сухую массу топлива. Состав топлива, определенный по сухому индекс с) составу топлива, отличается от приведенного выше рабочего только отсутствием влаги
С
с
+Нс + с + Ос + с + Ас = 100 %,
(7.1) В горючей индекс г) массе топлива отсутствует внешний балласт, те. влага и механические примеси
С
г
+Н
г
+ г + О
г
+ г = 100 %.
(7.2) Рабочая, сухая и горючая массы топлива могут быть пересчитаны одна в другую умножением на простые коэффициенты. Например, при определении сухой и горючей массы при заданной рабочей массе эти коэффициенты имеют вид соответственно
k
1
= р) и k
2
= 100/(100–W
р
–А
р
).
(7.3) Тогда для расчета, например, содержания углерода в горючей смеси при известном рабочем составе нужно использовать соотношение
С
г
= k
2
С
р
= 100 С
р
/(100–W
р
–А
р
).
(7.4) Пример 7.1 Известен горючий состав дизельного топлива углерод – 87,15 %; водород – 12,82 %; сера – 0,02 %; кислород – 0,01 %. Рассчитать содержание водорода в рабочем составе, если известно, что в процессе хранения влагосодержание топлива составило 0,1 %. Решение Из условия задачи следует, что содержание водорода в горючем составе равно г
= 12,82 %. При влагосодержании р
= 0,5 % и при отсутствии зольности дизельного топлива Ар
= 0 для водорода можно записать аналогично г = 100 H
р
/(100–W
р
–А
р
), откуда р = (100–W
р
–А
р
) гр. Ответ содержание водорода в рабочем составе 12,76 %. Кислород и азот топлива не являются его горючими элементами и, поэтому, также называются балластом топлива. Для различия между внешним балластом (зола и влага) этот балласт называют внутренним или органическим балластом. Горючими элементами в топливе являются углерод (теплота сгорания
33,7 МДж/кг), водород (теплота сгорания 108 МДж/кг) и сера летучая (теплота сгорания 9,3 МДж/кг), представляющая собой сумму органической и колчеданной серы. Содержание углерода в дизельных топливах колеблется в пределах С
г
= 84...88 %, водорода – г = 10,0...14,7 % и серы летучей р = 0,001...0,3 %. Из приведенных выше значений теплоты сгорания видно, что теплотворная способность серы сравнительно невелика. При этом продукты сгорания серы являются токсичными и, кроме того, обладают агрессивными свойствами. По этой причине содержание серы в топливе нежелательно. Введенный с 2006 г. ГОСТ Дизельное топливо ЕВРО [6] по показателям качества аналогичен европейскому стандарту EN 590 и предусматривает производство дизельного топлива с содержанием серы 10, 50 и 350 ppm, те и 0,035 % соответственно. В зависимости от содержания серы эти стандарты классифицируют топливо по экологическим классам европейский стандарт К, К, … К) и видам (российский стандарт вид I, вид II, вид III). Европейский стандарт известен также как Евро. С 1 января 2016 г. на территории Российской Федерации разрешен выпуски обращение дизельного топлива экологического класса не ниже К Евро, вид III) с содержанием серы не более 0,001 %.
7.1.2. Теплота сгорания топлива Под теплотой сгорания топлива понимают количество теплоты, выделившееся при полном сгорании 1 кг топлива. Практически используемой является низшая рабочая теплота сгорания р
н
Q , равная количеству теплоты, выделяющемуся при полном сгорании 1 кг топлива рабочего состава, при отсутствии конденсации содержащихся в них водяных паров. Для высшей теплоты сгорания топлива учитывается еще и теплота парообразования, выделяющаяся при конденсации водяного пара в продуктах сгорания топлива.
88 Для практических расчетов используется формула Д.И. Менделеева, согласно которой низшая рабочая теплота сгорания топлива р
н
Q
, МДж/кг, может быть найдена на основании рабочего состава топлива р
н
Q = 0,339 С
р
+1,03 р 0,109 (р р)
⎯ 0,025 р) В формуле Д.И. Менделеева коэффициенты подобраны экспериментально и несколько отличаются от указанных выше значений теплоты сгорания отдельных горючих элементов, входящих в состав топлива. Пример 7.2 Рассчитать теплоту сгорания для дизельного топлива следующего рабочего состава углерод 87 %; водород 12,6 %; кислород 0,4 %. Решение Указан рабочий состав, дающий в сумме 100 % = 87+12,6+0,4. Следовательно влаги и серы в топливе нет р
= 0, р
= 0. Расчет выполняем по (7.5) р
н
Q = 0,339
∙
87 + 1,03
∙
12,6
⎯ 0,109
∙
0,4 =
= 42,427 МДж/кг. Ответ 42,427 МДж/кг или 42427 кДж/кг. Для более точного определения теплоты сгорания топлива используют калориметры, в основе конструкции которых лежит калориметрическая бомба (рис. 7.1). Испытуемое топливо сжигают при избытке кислорода в бомбе 5. Выделившуюся при этом теплоту поглощает вода калориметра, по изменению температуры которой определяют искомое количество теплоты. Для дизельных топлив низшая рабочая теплота сгорания топлива находится в пределах р
н
Q = 42...43 МДж/кг.
7.2. Количество воздуха, необходимое для сгорания топлива
7.2.1. Теоретически необходимое количество воздуха Для сгорания топлива необходим кислород. Практически все двигатели внутреннего сгорания потребляют кислород из атмосферного воздуха. Найдем для начала количество кислорода L°
O2
, необходимое для сгорания Рис. 7.1. Схема калориметра
1 – тигель с пробой топлива
2 – термометр 3 – электроды для поджига; 4 – мешалка
5 – бомба
89 одного килограмма топлива, горючими элементами которого являются углерод, водород и сера. Вычисления основываются на стехиометрических соотношениях реагентов и продуктов химических реакций. Для углерода C+O
2
= CO
2
, те. для окисления 1 молекулы углерода (C) необходима одна молекула кислорода (O
2
). В результате будет получена
1 молекула двуокиси углерода CO
2
. Или, что тоже самое входе реакции
1 кмоль углерода с 1 кмоль кислорода образуется один кмоль двуокиси углерода. С учетом атомных масс химических элементов это уравнение можно переписать следующим образом
12 кг C + 1 кмоль (32 кг) O
2
= 1 кмоль (44 кг) CO
2
, те. для сгорания одного кг углерода потребуется 1/12 кмоль кислорода и при этом получится 1/12 кмоль двуокиси углерода. В случае с водородом две его молекулы, реагируя с одной молекулой кислорода, дают две молекулы водяного пара
2H
2
+ O
2
= 2H
2
O или
4 кг H
2
+ 1 кмоль (32 кг) O
2
= 2 кмоль (36 кг) H
2
O. Для серы имеем
S + O
2
= SO
2
,
1 кмоль (32 кг) S + 1 кмоль (32 кг) O
2
= 1 кмоль (64 кг) Если водном кг топлива содержится С
р процентов углерода, р процентов водорода, р процентов серы и р процентов кислорода, то для окисления горючих элементов потребуется L°
O2
, кмоль кислорода
Lº
O2
= (С
р
/12 + р + S
р
/32
–
O
р
/32)/100.
(7.6) Слагаемое р со знаком минус в скобках учитывает количество кмоль кислорода, содержащегося в самом топливе, водном его килограмме. Принимая, что объемная доля кислорода в воздухе составляет 0,21, можно определить теоретически необходимое количество кмоль воздуха для сгорания одного килограмма топлива L°, кмоль/кг р
р р
р
0
C
H
S
O
1 12 4
32 32 21
L
(7.7) При расчёте объема воздуха, необходимого для сгорания одного килограмма топлива, достаточно умножить это уравнение на 22,4 м
3
/кмоль объем, который занимает 1 кмоль любого газа при нормальных условиях
V
0
= 22,4 L
°
(7.8)
90 Подставляя Lº и раскрывая скобки, получаем V°, мкг,
V
0
= 22,4 L
0
= 0,0889 С
р
+ 0,267 р + 0,0333 (р р.
(7.9) Пример Для заданного состава топлива (см. пример 7.2) рассчитать теоретически необходимое для сгорания количество кмоль и кубических метров воздуха. Решение Известен рабочий состав топлива С
р
= 87 %; р
= 12,6 %; О
р
= 0,4 %. Расчет для количества воздуха в кмолях выполняем по (7)
L
0
= (87/12 + 12,6/4 – 0,4/32) / 21 = 0,495 кмоль/кг. Согласно (7.8)
V
0
= 22,4 ∙ 0,495 = 11,09 мкг. Ответ для сгорания 1 кг топлива теоретически требуется 0,495 кмоль воздуха. При нормальных условиях это количество воздуха занимает объем, равный 11,09 м 7.2.2. Коэффициент избытка воздуха Рассмотренные выше количество кмоль L
0
и объем V
0
воздуха для сгорания одного килограмма топлива являются теоретически необходимыми величинами, полученными на основе стехиометрических соотношений. Эти значения следует рассматривать как минимальное количество воздуха, необходимое для обеспечения полного сгорания топлива при условии, что при горении используется весь содержащийся в топливе и подаваемый вместе с воздухом кислород. В реальных условиях из-за технических трудностей ощущается местный недостаток или избыток окислителя (кислорода воздуха, в результате чего полное сгорание топлива при таких пропорциях осуществить невозможно. Поэтому воздух подается в большем количестве по сравнению сего теоретическим количеством V
0
. Отношение действительного количества воздуха д, подаваемого в цилиндры двигателя, к теоретически необходимому количеству называется коэффициентом избытка воздуха
,
= д
= д (7.10) Для дизелей различают коэффициент избытка воздуха в цилиндре
и суммарный коэффициент избытка воздуха
. В первом случае под действительным количеством воздуха понимают то его количество, которое
91 оказалось в цилиндре к моменту начала сжатия (закрытия органов газораспределения. Учитывая, что в двигателях с наддувом часть воздуха, поступающего в цилиндр через впускные органы, покидает его в процессе продувки цилиндра, для отношения количества воздуха, поданного в цилиндр, из расчета к теоретически необходимому для сгорания цикловой порции топлива, был введен коэффициент избытка воздуха суммарный Очевидно, что этот показатель не характеризует непосредственно избыток воздуха при сгорании и используется в иных случаях. Обычно в технической литературе под коэффициентом избытка воздуха понимают, если не оговаривается особо, коэффициент избытка воздуха в цилиндре. Следует иметь ввиду, что коэффициент избытка воздуха имеет оптимальные значения для различных тепловых машин и установок. Уменьшение означает ухудшение сгорания по причине недостатка воздуха и приводит к химическому недожогу топлива, а, следовательно, к снижению КПД двигателя. Увеличение α выше оптимального значения также снижает КПД, так как воздух имеет сравнительно невысокую температуру, а значит его переизбыток в зоне сгорания может снизить скорость протекающих химических реакций. Кроме того, избыточный воздух, нагреваясь в цилиндре от продуктов сгорания и стенок рабочей камеры, уносит вместе с собой теплоту, увеличивая ее потери с уходящими газами. Из практики проектирования тепловозных двигателей известно [1], что оптимальные значения
для номинальных режимов работы составляют
= 1,85 ... 2,1. На частичных режимах работы двигателя коэффициент избытка воздуха увеличивается по причине снижения цикловой подачи топлива, что сопровождается закономерным снижением индикаторного КПД двигателя. Характерное влияние коэффициента избытка воздуха на индикаторный КПД дизеля можно наблюдать на примере экспериментальных зависимостей, полученных для тепловозного дизеля Д (рис. 7.2). Наблюдаемое снижение КПД приуменьшении частоты вращения вала в области высоких значений коэффициента избытка воздуха можно объяснить увеличением времени нахождения воздуха в цилиндре двигателя и снижением его температуры. Последнее объясняется меньшими Рис. 7.2. Влияние коэффициента избытка воздуха на индикаторный КПД двигателя Д при различных оборотах коленчатого вала [1, рис. 140]: 1 – 850; 2 – 610;
3 – 560; 4 – 490; 5 – 400 мин
92 степенями повышения давления в агрегатах наддува. При этом, оба указанных фактора увеличивают тепловые потери с воздухом, что и является основной причиной снижения
i
в правой части графиков.
7.2.3. Количество продуктов сгорания Под чистыми продуктами сгорания понимают сумму количества газов, образовавшихся в результате химического взаимодействия химических элементов топлива со стехиометрически необходимым количеством атмосферного воздуха. При этом азот, содержащийся в воздухе и не участвующий в реакции окисления, тоже условно относят к продуктам сгорания. Таким образом, основываясь на стехиометрических соотношениях, записанных выше, можно установить количество двуокиси углерода, водяного пара и азота в продуктах сгорания стехиометрической смеси, те. при
= 1. Выше было установлено, что при сгорании одного килограмма углерода образуется 1/12 кмоля двуокиси углерода, сгорание одного килограмма водорода приводит к образованию 1/2 кмоля водяного пара, а окисление килограмма серы дает 1/32 кмоля сернистого ангидрида. Кроме того, в продуктах сгорания будет находиться 0,79L° кмоля азота, поступившего в цилиндр вместе с воздухом. Таким образом, при стехиометрическом сгорании имеем М СО + M
H2O
+ О + M
N2
= 0,01 (С
р
/12 + р + р) + 0,79 L°. (7.11) Кроме так называемых чистых продуктов сгорания М при избытке воздуха в цилиндре (
>1) в продуктах сгорания каждого килограмма топлива дополнительно появится 0,21 (
–1) L° избыточного кислорода и
0,79 (
–1) L° азота. Тогда количество продуктов сгорания на каждый килограмм топлива составит M
2
, кмоль/кг,
M
2
= М + 0,21 (
–1) L° + 0,79 (
–1) L° =
= 0,01 (С
р
/12 + р + р) +
L° – 0,21 L° =
= 0,01 (С
р
/12 + р + р – С
р
/12 – р – р+ р) +
L° =
= 0,01 (р + р) +
L°.
(7.12)
7.2.4. Коэффициент молекулярного изменения Как известно, рабочим телом любого поршневого ДВС является газ. В такте сжатия дизеля рабочим телом служит воздух или, строго говоря, смесь воздуха с небольшим количеством продуктов сгорания, не удаленных в процессе газообмена. Этими остаточными газами в большинстве
93 случаев можно пренебречь и приравнять количество рабочего тела до сгорания к действительно поступившему в цилиндр воздуху д, те.
M
1
≈ д
=
L
°
(7.13) С момента начала подачи топлива и до окончания сгорания в цилиндре природа рабочего тела будет изменяться. Нетрудно убедиться, что рассчитанное выше число продуктов сгорания будет больше на некую величину
M, зависящую только от состава топлива. Найдем это количество, используя полученные ранее результаты
M = M
2
– M
1
= 0,01 (р + р) +
L
°
–
L
°
=
= 0,01 (р + р. (7.14) Величина
M указывает на увеличение числа молекул рабочего тела при сгорании и, как следует из полученного уравнения, не зависит от коэффициента избытка воздуха
. Изменение молекулярного состава рабочего тела принято оценивать также и по величине коэффициента молекулярного изменения
0
, представляющего собой взаимное отношение количества рабочего тела после и до сгорания
0
= M
2
/M
1
= 1 +
M/M
1
= 1 + 0,01 (р + р) Влияние
0 на работу дизеля можно упрощенно понимать так увеличение
0 означает увеличение относительного количества газов совершающих положительную работу в цикле и уменьшение количества газов, на сжатие которых затрачивается работа в процессе их сжатия. С этой точки зрения, большие значения
0
предпочтительнее. Анализ уравнения (7.15) показывает, что увеличение α приводит к уменьшению
0
, впрочем влияние это невелико. Пример 7.4 Для заданного состава топлива (см. пример 7.2) рассчитать коэффициент молекулярного изменения при двухкратном избытке воздуха. Решение Известно, что в рабочем составе топлива содержится водород вколи- честве р
= 12,6 % и кислород в количестве О
р
= 0,4 %. Ранее было рассчитано кмоль/кг (см. пример 7.3). При
= 2 имеем
0
= 1 + 0,01 (12,6/4 + 0,4/32)/(2 ∙ 0,495) = 1,032. Ответ в процессе сгорания количество рабочего тела увеличилось в
0
= 1,032 раза.
94
1 ... 4 5 6 7 8 9 10 11 12
7.3. Кинетическая теория горения
7.3.1. Обратимые и необратимые реакции Теория горения топлива позволяет инженеру получить представление о важнейшем для практики показателе этого процесса – скорости реакции. Под скоростью химической реакции понимают изменение количества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства. В 1865 г. Н.Н. Бекетовым ив г. Гульдбергом и Вааге был сформулирован закон действующих масс скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведенным в степени, равные их стехиометрическим коэффициентам. Рис. 7.3. Основоположники химической динамики слева – Бекетов Николай Николаевич (1827–1911); в центре – Cato Maximilian Guldberg (1836–1902); справа – Peter Waage (1833–1900) Если рассматривать реакцию между условными веществами A и B с образованием продуктов D и F, стехиометрическое уравнение которой
mA + nB
⇄ pD + qF,
(7.16) то, согласно закону действующих масс, скорости этой реакции будут равны в прямом направлении п =
П
К
m
А
С
n
В
С
n
В
С
;
(7.17) в обратном об
= об
р
D
С С,
(7.18) где m, n, p, q – количество молей соответственно вещества A, B, C и D; С, С, С, С – концентрации этих веществ п, об константы скорости реакции в прямом и обратном направлении соответственно.
95 Большинство химических реакций являются обратимыми, те. как показано вышеприведенным стехиометрическим уравнением, могут протекать как в прямом, таки в обратном направлении. Если реакция протекает достаточно длительное время, то наступает динамическое равновесие, при котором скорости в прямом и обратном направлении становятся равными друг другу. При сжигании жидких топлив равновесие, как правило, не наступает, те. реакция протекает практически только водном направлении – прямом. Исключением здесь является небольшое количество двуокиси углерода СО и водяного пара H
2
O (несколько процентов, молекулы которых при высоких температурах диссоциируют, образуя молекулы водорода H
2
и окиси углерода. Диссоциация происходит с поглощением энергии (теплоты, и поэтому нежелательна при сжигании топлив в технических устройствах, так как сокращает количество теплоты, которое можно использовать полезно. Если пренебречь диссоциацией, то реакции горения можно считать необратимыми. Энергия активации, константа скорости реакции Существует простая модель, описывающая кинетику химических реакций, известная как модель столкновений молекул. Согласно модели столкновений химические реакции, в том числе и реакции горения, требуют расщепления исходных молекул на атомы, что происходит при их соударении (рис. 7.4). Рис. 7.4. Схема модели столкновения и шведский ученый
Сванте Август Аррениус (1859–1927) – лауреат Нобелевской премии по химии (1903), автор основополагающего уравнения химической кинетики горения При этом не всякое соударение ведет к химической реакции. Необходимо преодолеть некий энергетический барьер для того, чтобы молекулы начали друг с другом реагировать. То есть молекулы должны обладать некой минимальной энергией, необходимой, по крайней мере, для расщепления молекул исходных веществ. Эта энергия получила название условной энергии активации E
a
. Количественное значение E
a
зависит только от природы топлива. Например, для дизельного топлива E
a
= 22 кДж/моль, для мазута E
a
= 35 кДж/моль. Эти значения находят опытным путем, исследуя скорости реакции горения при различных температурах. Согласно закону Аррениуса (Svante August Arrhenius, шведский ученый) скорость химических реакций определяется температурой T, частотой столкновения реагирующих молекул и энергией активации E
a
. Уравнение, предложенное Аррениусом, записывают не для скорости реакции w, как в уравнениях, а для ее константы K, входящей в эти же уравнения
0
a
E
RT
K
K e
,
(7.19) где K
0
– эмпирическая константа, μR = 8,314 кДж/(моль
К) – универсальная газовая постоянная e – основание натурального логарифма. Уравнение Аррениуса является кинетическим уравнением горения. Анализ уравнения (7.19) показывает, что скорость реакции резко (по экспоненте) возрастает при увеличении температуры.
7.3.3. Цепные реакции Разрушение межатомных связей приводит к появлению активных промежуточных элементов химической реакции радикалов, атомов, окислов, перекисей, которые тут же вступают в реакции между собой. Причем процесс протекает таким образом, что наряду с образованием конечных продуктов сгорания, образуются активные промежуточные продукты, благодаря чему поддерживается непрерывный ход реакции. Такие реакции получили название цепных реакций. В разработке теории цепных реакций большая роль принадлежит советскому ученому Н.Н. Семенову (единственный советский ученый, получивший нобелевскую премию в области химии. Принято различать разветвленные и неразветвленные цепные реакции. В первом случае количество активных центров входе реакции увеличивается, а во втором – остается постоянным. Реакции горения углеводородного топлива относятся к разветвленным цепным реакциям. Рассмотрим такую реакцию на примере горения водорода (рис. 7.5). Инициатором цепной реакции может служить любая молекула, обозначим ее условно M, которая при столкновении с молекулой водорода, разделит ее на два атома H
2
+ M = 2H +M. Образовавшиеся в результате расщепления молекулы атомы водорода становятся своего рода активными центрами. Их последующее столкновение с молекулой кислорода приводит, как это показано на схеме, к последовательной цепи реакции, результатом которой становится образование двух молекул водяного пара H
2
O и трех новых активных центров – свободных атомов водорода. Таким образом, реакция является ускоряющейся, разветвленной. Рис. 7.5. Схема цепной реакции и основоположник теории цепных реакций горения – лауреат Нобелевской премии по химии (1956) Николай Николаевич Семенов (1896–1986) Вместе стем, рост скорости горения имеет предел. Если горение происходит в ограниченном объеме, то молекулы, ударяясь о стенки рабочей камеры, частично теряют свою энергию, что сдерживает скорость распространения реакции. К такому же эффекту приводят удары о молекулы минеральных солей (примесей в топливе) и о частицы сажи. В результате, через ка- кое-то время сначала реакции, ее скорость достигает максимума и больше не увеличивается. Этот интервал времени называют периодом индукции. Цепные реакции окисления метана CH
4
и монооксида углерода (окиси углерода) CO протекают аналогично. Горение высокомолекулярных соединений имеет более сложный механизм, так как наряду с реакциями окисления происходит термическое разложение с образованием сажи, а также метана и водорода, как промежуточных продуктов горения. Такой механизм характеризуется большей продолжительностью (меньшей скоростью реакции) и увеличенным периодом индукции.
7.3.4. Диффузионное и кинетическое горение Рассмотренные выше механизмы цепной химической реакции, на основании которых можно сделать вывод о скорости протекания горения, построены на предположении, что реагирующие компоненты хорошо перемешаны друг с другом (смесь однородная) и, более того, находятся водном фазовом состоянии – газообразном. Такую смесь называют однородной гомогенной. При сжигании реальных углеводородных топлив всегда требуется время, как минимум, на смесеобразование – взаимную диффузию однородных сред в случае со сжиганием, например, газового топлива. При использовании жидких топлив, наряду с диффузией паров с воздухом, значительного времени требует процесс образования паров, а для твердых топлив – газификации и термического разложения. Полную продолжительность процесса горения п можно условно представить в виде двух интервалов п = ф
+ х, где ф – время протекания преимущественно физических процессов, в первую очередь диффузии х – время протекания химических реакций или цепных разветвленных реакций, определяющих кинетические механизмы сгорания. Возможны три варианта протекания горения. Если продолжительность физических процессов много больше продолжительности химических реакций (ф
≫ х, то горение называют диффузионным. В противном случае х
≫ ф, когда диффузия занимает незначительный интервал времени полного процесса – горение называют кинетическим. Примером кинетического сгорания топлива может послужить процесс сгорания газового топлива и легкоиспаряющегося жидкого топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием. В таких машинах рабочая смесь готовится вне цилиндра и поэтому к моменту воспламенения от электрической дуги (искры) горючая смесь представляет собой уже однородную гомогенную смесь. Такая смесь сгорает очень быстро – при термодинамическом анализе цикла считают, что выделение теплоты в таких машинах протекает изохорно. Примером диффузионного горения может послужить горение в котлах. В топочных устройствах котлов топливо и воздух подают раздельно. Поэтому даже при использовании газового топлива, будут преобладать диффузионные механизмы горения. Наконец, существует третий вариант, при котором диффузионные и кинетические механизмы играют примерно равную или соизмеримую роль. Такое горение называют промежуточным. Примером такого процесса являются некоторые случаи сгорания топлива в дизелях. За период задержки воспламенения, характерный для этих двигателей, образуется значительное количество паров топлива. Поэтому, если за начало отсчета тепловыделения принять начало самовоспламенения топлива, тов первое время, эти уже готовые к сгоранию пары топлива реагируют с избыточным кислородом воздуха с выделением теплоты по закону, близкому к экспоненциальному. Эта фаза сгорания протекает с преобладанием кинетических механизмов горения. Продолжающийся в это время впрыск топлива является причиной появления новых паров топлива, которые могут образовываться в местах рабочей камеры с недостаточным содержанием кислорода. Такие молекулы должны диффундировать в зону, богатую кислородом (или кислород из богатых областей должен диффундировать в зону очага пламени. Этот процесс требует времени. Кроме того, капля топлива должна прогреться и превратиться в пар, что также требует времени. В результате сгорание в дизеле можно рассматривать как совместное проявление двух механизмов горения кинетического и диффузионного. Для дизелей экспериментально установлено, что в зависимости от особенностей топливоподачи и режима работы сгорание может протекать в одних случаях с преобладанием кинетических механизмов, в других – диффузионных. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое рабочий, горючий и сухой состав топлива Как пересчитать один состав в другой
2. Какие элементы топлива являются горючими, а какие балластом внутренними внешним
3. Отчего зависит количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива Как определить это количество опытными расчетным путем
4. Что такое коэффициент избытка воздуха Как величина этого коэффициента влияет на экономические и экологические показатели двигателя
5. Как рассчитать теоретически необходимое количество воздуха
6. Что называют коэффициентом молекулярного изменения
7. Назовите основные положения кинетической теории горения топлива.
8. Как вы понимаете термины кинетическое и диффузионное сгорание
8. ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЯХ. Фазы сгорания
8.1.1. Период индукции В теории ДВС существуют различные подходы к определению фаз периодов) сгорания в цилиндрах дизеля. Познакомимся с двумя основными. Согласно первому, можно сказать классическому, подходу выделяют четыре фазы развития процесса 1) индукцию, 2) быстрое сгорание,
3) основное сгорание и 4) догорание. Второй подход базируется на представлении о сгорании в дизелях как о механизме промежуточного горения см. разд. 7), включающем кинетическую и диффузионную фазы. Период задержки воспламенения или период индукции считается первой фазой сгорания в дизелях. Может показаться странным, что этот процесс относят к фазе горения, так как теплота в этой фазе не только не выделяется, но даже, напротив, поглощается. Однако можно найти, как минимум, две причины рассматривать этот процесс как неотъемлемую часть сгорания. Во-первых, скорость образующихся в этой фазе паров топлива и их взаимная диффузия с воздухом решающим образом сказываются на
100 протекании всех последующих процессов. Во-вторых, согласно теории цепных реакций, первые предпламенные химические реакции, начинаются в точном соответствии со своим названием «предпламенные», те. наступающие до начала видимого горения, а, значит, – в этой (первой) фазе процесса. На индикаторной диаграмме (рис. 8.1) границы периода индукции определяются точками и 2. Точка 1 соответствует началу подачи топлива, а точка 2 – началу видимого сгорания, определяемому по характерному перегибу кривых давления p и температуры Т. Проекции этих точек на кривую температуры Т отмечены точками
1′ и 2′ соответственно. В разд. 6, посвященном процессу топ- ливоподачи, были подробно рассмотрены факторы, влияющие на продолжительность периода задержки. К ним относятся свойства топлива (в первую очередь энергия активации и цетановое число способ смесеобразования и качество распыливания топлива, определяющие скорость образования паров топлива условия в цилиндре дизеля к этому моменту (давление и температура.
8.1.2. Период быстрого сгорания Количество паров топлива, образовавшихся за период индукции, определяет, сколько теплоты выделится в следующей фазе – периоде быстрого сгорания. Границами этой фазы (рис. 8.2) являются точка 2 – начало видимого горения и точка максимум давления в цикле. Пары, образовавшиеся в этой фазе, сгорают быстро. Так как поршень при этом находится вблизи ВМТ, объем цилиндра практически не изменяется и, следовательно, процесс можно считать изохорным. В практике инженерных расчетов таки поступают – количество теплоты, выделяющейся в этой фазе, рассчитывают по формулам изохорного процесса. Рис. 8.2. Период быстрого сгорания Рис. 8.1. Период индукции
101 Известно, что анализ теоретического цикла дизеля (цикла со смешанным подводом теплоты) позволяет утверждать, что чем выше степень повышения давления в цикле
, тем выше термический КПД цикла
3 2
p
p
, где p
3
= p
max
– давление в точке 3 (максимальное давление) цикла p
2
– давление в конце сжатия (в точке 2). Вместе с ростом термического КПД двигателя, при увеличении возрастает механическая и термическая нагрузка на детали двигателя. По условиям прочности, максимальное давление в современных среднеоборотных дизелях не превышает 16 МПа. Анализ [1, табл. 24] показывает, что на период издания учебника, максимальное давление для тепловозных дизелей находилось в пределах 6,8…13 МПа, а степень повышения давления составляла от
= 1,23 (для дизеля Д) до = 1,86 (для дизеля Д. Протекание процесса в фазе быстрого сгорания влияет на так называемую жесткость сгорания. Жесткость сгорания J, МПа/градус, определяется скоростью нарастания давления и может быть рассчитана как отношение приращения давления в этой фазе к ее продолжительности в градусах угла поворота вала
p
J
,
(8.2) где
p = p
3
–p
2
– увеличение давления в фазе быстрого сгорания
=
3
–
2
– угол поворота коленчатого вала, приходящийся на период быстрого сгорания. Отрицательными сторонами чрезмерно жесткого сгорания является снижение ресурса двигателя и высокий уровень шума и вибрации при его работе.
8.1.3. Период основного сгорания Границами периода 3–4 (рис. 8.3) – периода основного сгорания – являются точки, соответствующие максимальному давлению (слева) p
3
= p
max и максимальной температуре в цикле (справа)
T
4
= T
max
. Поршень в этой фазе движется Рис. 8.3. Период основного сгорания