СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЕ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ ПРИ НЕПОСРЕДСТВЕННОМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИИ Российский патент 1995 года по МПК F02B51/06 

Изобретение относится к быстроходным двигателям с воспламенением от сжатия и может быть использовано в других тепловых двигателях с периодическим процессом сгорания.

Известен способ сгорания в быстроходном двигателе с воспламенением от сжатия и непосредственным впрыском топлива, в котором подвод воздуха к горящим частицам топлива в факеле обеспечен турбулентностью воздушного заряда, генерированной движением факела в объеме камеры сгорания и диффузионными процессами при сгорании частиц топлива.

Способ обычно реализуют подачей за период задержки самовоспламенения ≈10. 15% цикловой подачи топлива под давлением впрыска 80-150 МПа в камеру сгорания, радиальная протяженность которой составляет 0,8-0,9 радиуса цилиндра, а объем части, расположенной в поршне, составляет более 75% объема камеры сжатия.

При сгорания топлива указанным способом турбулентность воздушного заряда в камере сгорания генерируется в основном во внешних оболочках факела, где коэффициент избытка воздуха α≥0,8. Области факела распыленного топлива, расположенные вокруг оси факела и имеющие коэффициент избытка воздуха 0≅α≅0,8, практически не охвачены этой турбулентностью, что приводит к интенсивному сажеобразованию в них, существенному снижению скорости сгорания, увеличению его продолжительности.

Описанные закономерности этого способа сгорания приводят к ухудшению экологических характеристик выхлопа и высокому удельному расходу топлива.

В связи с изложенным, этот способ сгорания в современных двигателях с воспламенением от сжатия используется очень мало.

Известны способы сгорания в быстроходных двигателях с воспламенением от сжатия, в которых подвод воздуха к горящим в факеле частицам топлива обеспечивают вращением воздушного заряда в цилиндре относительно его оси. Это вращение осуществляют подводом воздуха в цилиндр через тангенциальные или спиральные впускные каналы, заширмливанием клапанов и др.

При вращении воздушного заряда происходит снос частиц топлива факела в пространство камеры сгорания между факелами, унос продуктов сгорания с внешних оболочек горящих частиц топлива, что увеличивает скорость сгорания, улучшает экономичность и уменьшает дымность выхлопа.

Однако при рассогласовании угловой скорости движения воздушного заряда, продолжительности впрыска и цикловой подачи топлива отмечены либо эффект перезавихривания, т.е. перенос частиц топлива с одного факела на другой, либо эффект недовихривания, что существенно снижает эффективность способа.

Таким образом, этот способ реализует свои преимущества в относительно узком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, мало характерных для двигателей широкого назначения.

Кроме того, снижают эффективность способа повышенное гидравлическое сопротивление каналов впуска и рассеивание его величины при серийном производстве, связанное с отклонениями при изготовлении головок цилиндров.

Известен способ динамического регулирования процессов горения, заключающийся в наложении акустических колебаний на фронт пламени. Указанный способ увеличивает скорость распространения фронта пламени в камере сгорания, что увеличивает индикаторный КПД двигателя и улучшает экономичность.

Однако указанный способ распространяется только на двигатели с внешним смесеобразованием и стехиометрическим составом смеси, кроме того, способ не регламентирует величины амплитуд высокочастотных колебаний сгорания.

Известно, что при чрезмерно больших амплитудах фронт пламени может быть разрушен, что может привести к погасанию пламени, при этом может произойти разрушение стенок камеры сгорания.

Малые амплитуды колебаний не повлияют существенно на показатели сгорания.

Известен способ сгорания, принятый за прототип, который сочетает в себе подвод воздуха к горящим частицам топлива турбулентностью, генерированной факелом топлива, вращением воздушного заряда с относительно небольшой угловой скоростью, при этом отмечены высокочастотные акустические колебания давления газов в камере сгорания небольшой амплитуды.

Относительная амплитуда ВЧ-колебаний давления в этом случае составляет P_z= ≅ 0,1 (отношение амплитуды ВЧ-колебаний к максимальному давлению сгорания). [Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. М. Машиностроение, 1977, с. 21, рис. 10; Синенко Н.П. Струнге Б.И. Резник Н.И. Тепловозный дизель Д70, М. Транспорт, 1966, с.14, рис.14]
Cпособ реализуют подачей за период задержки самовоспламенения около 15-20% цикловой подачи топлива в камеру сгорания. Небольшую угловую скорость вращения воздушного заряда относительно оси цилиндра обеспечивают поперечным расположением клапанов впуска, объединенных общим впускным каналом. Способ реализован в тепловозном дизеле с частотой вращения n ≅1000 1/мин.

Отмеченные высокочастотные колебания давления с относительной амплитудой P_z≅ 0,1 являются следствием возник-новения в камере сгорания стоячих волн давления, распространяющихся со скоростью звука в объеме камеры сгорания (так называемые линейные колебания). Стоячие волны образуются под воздействием взрывного импульса давления в локальных объемах камеры сгорания, возникающего при кинетическом сгорании части топлива, поданного за период задержки самовоспламенения. Исакович М.А. Общая акустика. М. Физматгиз, 1973, с. 202-230; Неустойчивость горения в ЖРД./Под ред. Д.Т.Харье, Ф.Г. Рирзон, М. Мир, 1975, с.178-188]
Экспериментальные исследования, проведенные на БЗТМ, показывают, что линейные колебания давления возникают в камере сгорания при подаче за период задержки самовоспламенения до 20% цикловой подачи топлива.

Акустические линейные колебания с относительной амплитудой P_z≅ 0,1 генерируют небольшие по уровню потоки вокруг отдельных частиц топлива во внешней оболочке факела распыленного топлива, интенсифицируя массообмен в непосредственной близости частиц. [Кубанский П.Н. Акустические течения и конвективный теплообмен. Акустический журнал, АН СССР, 1959. Вып. I, т.V, c. 51-57]
Вследствие малой энергии колебаний они быстро затухают в связи с отводом тепла в стенки камеры сгорания и демпфирующего воздействия частиц топлива (через 15-20^о ПКВ после воспламенения ВЧ-колебания на осциллограмме практически отсутствуют). Таким образом, отмеченные в указанном способе ВЧ-колебания давления акустического уровня недостаточно воздействуют на области факела распыленного топлива вблизи его оси, где 0≅α≅0,8, что не позволяет радикально снизить дымность, выхлопы и улучшить экономичность с обеспечением требований современных стандартов по экологическим характеристикам дизелей.

Задачей изобретения является улучшение индикаторных удельных расходов топлива на режиме максимальной мощности и эксплуатационных режимах; уменьшение дымности выпускных газов и улучшение экологических характеристик выхлопа и снижение чувствительности рабочего процесса к изменению температуры и давления воздуха на впуске воздуха в двигатель.

Поставленная задача решена использованием способа сгорания топлива с нелинейными ВЧ-колебаниями давления с относительной величиной амплитуды ВЧ-колебаний 0,3-0,4 путем подачи 60-70% цикловой подачи топлива за период задержки самовоспламенения в камеру сгорания.

На фиг. 1 дана осциллограмма давления газов в цилиндре дизеля в периоды воспламенения, сгорания, расширения и осциллограмма подъема иглы форсунки; на фиг.2 экспериментальные зависимости индикаторного КПД и дымности выпускных газов от коэффициента избытка воздуха для двигателей с воспламенением от сжатия без ВЧ-колебаний давления при сгорании и с ВЧ-колебаниями, в которых относительная амплитуда ВЧ-колебаний составляет 0,3-0,4; на фиг.3 экспериментальные зависимости мощности и удельного расхода топлива от температуры воздуха на впуске для двигателей без ВЧ-колебаний давления и с ВЧ-колебаниями, имеющими относительную амплитуду 0,3-0,4; на фиг.4 показана зависимость 18 изменения мощности дизеля с ВЧ-колебаниями давления при сгорании; 19 изменения мощности дизеля без ВЧ-колебаний давления при сгорании; 20 разница мощности от температуры воздуха на впуске 21.

Осциллограмма давления газа (см. фиг.1) в камере сгорания имеет максимальное давление 2, равное Р_zmax, и максимальную амплитуду ВЧ-колебаний давления 3, диаграмма 4 подъема иглы форсунки, где начало впрыска (подъема иглы форсунки) происходит до начала сгорания за время t_τ 5, а весь впрыск имеет продолжительность t_впр 6.

На график нанесены значения 7 давления сгорания Р, 8 время. На фиг.2 камера сгорания 9 и факела 10 распыленного топлива.

На фиг.3 показаны зависимости 11 удельного расхода топлива при ВЧ-колебаниях давления с относительной амплитудой P_z= 0,3-0,4 12 удельного расхода топлива без ВЧ-колебаний. Разница минимальных расходов топлива 13 и разница 14 расходов топлива в области малых коэффициентов избытка воздуха в зависимости от коэффициента избытка воздуха 15, 16 дымность выпускных газов без ВЧ-колебаний давления при сгорании; 17 дымность выпускных газов с ВЧ-колебаниями давления при сгорании (P_z= 0,3-0,4)
Cущность реализации предложенного способа ведения процесса сгорания. При впрыске топлива в камеру сгорания 9 за период задержки самовоспламенения (5) факелы распыленного топлива проходят пространство камеры и достигают стенок камеры 9 в поршне.

За этот период в камеру сгорания подается относительное количество топлива q 0,6-0,7 ≈ где t_τ- отрезок 5, а t_впр -отрезок 6.

Происходит взрывное локальное самовоспламенение большей части поданного за период задержки самовоспламенения топлива, которое является суммой микровзрывов большой интенсивности (энерговыделения), в результате которого в камере сгорания образуются ударные волны большой интенсивности, которые перемещаются со сверхзвуковой скоростью. Эти локальные волны давления возбуждают систему нелинейных радиальных и тангенциальных колебаний давлений (стоячих волн) с относительной амплитудой >0,3. При взаимодействии ударных волн с частицами распыленного топлива происходит дробление частиц, что сопровождается существенным увеличением скорости сгорания с подпиткой энергией волн давления, возникновение самоподдерживающейся детонации. Воронин Д.В. Ждан С.А. Об одномерной неустойчивости детонационных волн в распылах. Физика горения и взрыва N 3, 1986, c. 93-98.

В связи с наличием самоподдерживающейся детонации в факелах распыленного топлива с большим энерговыделением относительное количество энергии, отводимой в стенки КС за счет теплоотвода существенно снижается и период существования высокочастотных колебаний давления значительно увеличивается. По данным исследований БЗТМ он составляет >40-50^о ПКВ после начала воспламенения.

Следствием описанных процессов является генерация значительной турбулентности по всему объему камеры сгорания, выравнивание концентраций топливно-воздушной смеси, значительное увеличение скоростей диффузии и массопереноса около частиц горящего топлива.

Таким образом отмечается увеличение результирующей скорости сгорания, существенное увеличение полноты сгорания и значительное снижение содержания сажи, окислов углерода и других токсичных составляющих в выпускных газах.

Выравнивание концентраций смеси по объему камеры снижает и чувствительность процесса сгорания к изменению суммарного коэффициента избытка воздуха, вызванного увеличением температуры и снижением атмосферного давления на впуске воздуха в дизель при α _Σ>1,0.

Следствием этих процессов является снижение удельных индикаторных расходов топлива. На фиг.3 видно, что кривая gi=f( α) для двигателя с указанными ВЧ-колебаниями располагается значительно ниже, чем для двигателя без ВЧ-колебаний давления. При этом уменьшение удельных расходов топлива особенно значительно в области низких α. По данным сравнительных испытаний снижение удельных индикаторных расходов топлива с использованием предлагаемого способа ведения процесса сгорания составляет 9-12 г/л.с.ч. А минимальный расход топлива смещается с α≈2,1 к α≈1,7.1,8.

Результаты сравнительных испытаний, изображенные на фиг.4, показали, что при увеличении температуры воздуха на впуске с 20 до 50^оС мощность двигателя без ВЧ-колебаний давления при сгорании снижается на 12-14% (кривая 19), в то время как мощность при наличии ВЧ-колебаний давления с относительной амплитудой 0,3-0,4 снижается на ≈3.4%
Кроме указанных преимуществ, относящихся к режимам работы, близким к номинальному, предлагаемый способ ведения процесса сгорания обеспечивает улучшение параметров двигателя и на других режимах.

В частности, при работе по внешней характеристике на режиме максимального крутящего момента вследствие автокоррекции подачи топлива амплитуда ВЧ-колебаний несколько возрастает (вследствие увеличения количества топлива, поданного за период задержки самовоспламенения), что обеспечивает увеличение турбулентности в КС и полноты сгорания топлива.

При уменьшении нагрузки дизеля вследствие относительного снижения температуры стенок камеры сгорания происходит некоторое возрастание периода задержки самовоспламенения и сохранение относительной амплитуды ВЧ-колебаний, что приводит к более полному сгоранию топлива.

Таким образом, предлагаемый способ интенсификации сгорания обеспечивает снижение на 9-12 г/л.с.ч. удельного расхода топлива как на режимах внешней характеристики, так и на режимах частичных нагрузок.

Снижение дымности составляет 30-50% Указанный способ прошел всесторонние испытания на стендах завода.

Использование: в быстроходных двигателях с воспламенением от сжатия и в других тепловых двигателях с периодическим процессом сгорания. Сущность изобретения: в интенсификации сгорания топлива в двигателе с воспламенением от сжатия при непосредственном смесеобразовании при обеспечении высокочастотных колебаний давления при сгорании топливно-воздушной смеси, в камере сгорания вызывают нелинейные высокочастотные колебания давления с отношением максимальной амплитуды к максимальному давлению сгорания в диапазоне 0,3 0,4 путем подачи 0,6 0,7 цикловой подачи топлива за период задержки самовоспламенения. 1 з. п.ф-лы, 4 ил.

1. СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЕ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ ПРИ НЕПОСРЕДСТВЕННОМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИИ при обеспечении в процессе сгорания высокочастотных колебаний давления в камере сгорания, отличающийся тем, что высокочастотные колебания являются нелинейными с амплитудой колебаний 0,3 0,4 величины максимального давления сгорания путем подачи 0,6 0,7 циклового расхода топлива за период задержки самовоспламенения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что возбуждаемые нелинейные ВЧ-колебания имеют тангенциальную форму.