Зависимость топливоподачи от формы камеры сгорания

А.П. Марченко, И.И. Сукачев – Харьковский политехнический институт
В. В. Гаврилов – С.-Петербургский государственный университет водных коммуникаций

Ключевой вопрос при оптимизации струйного смесеобразования – рациональное согласование характеристик впрыскивания топлива с формой камеры сгорания (КС). Для форсированного дизеля решение этой задачи обычно заключается в выборе системы конструктивно-регулировочных параметров, обеспечивающей оптимизацию функции цели в условиях ограничений на переменные состояния.
В качестве функции цели нами принят среднеэксплуатационный расход топлива gеэ=f[Фкр0кр)]. В систему конструктивно-регулировочных параметров включены:
Фкр≡ε, Pint, qfcp, σ, ic, dc, γс, γw, dг, hz, H, где ε – степень сжатия; pint – давление наддува; qfcp – средняя скорость подачи топлива; σ – закон топливоподачи; ic, dc, γc – количество, диаметр и угол наклона распыливающих отверстий форсунки соответственно; γw – угол наклона периферийной стенки КС; dг=dкс/d – относительный диаметр условной горловины; hz – величина надпоршневого зазора; Н – вихревое отношение.
В систему ограничительных параметров включены:
Ф0кр)≡pmax, (dp/dφ)max, pf max, Тп, Тт, eNOx, где pmax – максимальное давление цикла; (dp/dφ)max – максимальная скорость нарастания давления сгорания; pf max – максимальное давление впрыскивания топлива; Тп, Тт – максимально допустимые температуры поршня и газов перед турбиной соответственно.
Даже при таком ограниченном наборе влияющих факторов размерность оптимизационной задачи значительна. Следует также иметь в виду, что одновременный учет сильно и слабо влияющих факторов ведет к повышению вычислительных погрешностей. Поэтому в нашем исследовании использованы алгоритмы поэтапного получения частных решений на основе математического планирования вычислительных экспериментов. Согласование характеристик впрыскивания топлива и формы КС определяется наличием математической модели цикла дизеля, которая включает систему уравнений, описывающих топливоподачу, смесеобразование и сгорание. За основу приняты (и уточнены) методы расчета процессов смесеобразования и сгорания, разработанные профессором Н.Ф. Разлейцевым [1]. Модель цикла дизеля реализована в виде современного интерактивного программного комплекса, включающего интерфейсы графического представления информации.
Разработана методика расчетного конструирования неразделенной КС с оптимальным распределением топливовоздушной смеси. В [1,2] приведены расчетные формулы и методики расчета характеристик впрыскивания, движения и распределения элементарных порций капель топлива в свободной струе и в стесненных условиях КС форсированного дизеля. В данной статье приводятся основные результаты расчетно-экспериментальных исследований по согласованию характеристик топливоподачи с формой КС и поэтапные решения для достижения целевой функции.

Основные критерии рационального согласования параметров топливоподачи и формы КС

На первом этапе целесообразно спрофилировать огневую поверхность КС по условию выравнивания воздушно-топливного отношения вдоль радиуса цилиндра αR=f(R)→α≈2. Сопоставление αR с усредненным по всему объему камеры коэффициентом избытка воздуха а позволяет оценить, насколько эффективно используется воздушный заряд в различных зонах КС для сгорания топлива.
Для примера приведем результаты расчетного профилирования КС, выполненного для судового дизель-генератора типа ЧН26/34. Из характеристик распределения топлива dσ/dR и αR вдоль радиуса цилиндра для КС с увеличенным надпоршневым зазором для двух существенно различающихся характеристик топливоподачи видно, что глубина в центральной части камеры (профилирование которой исключает касание боковой поверхности топливных струй со стенками) больше теоретически необходимой. Сокращение φВПР привело к перераспределению топлива вдоль оси струи на участке ее свободного развития, позволило приблизить αR к α. Увеличение доли объемного смесеобразования положительно повлияло на индикаторные показатели дизеля, а удельный эффективный расход топлива снизился на 1,5%. Учитывая существенное изменение αR по характеристике работы дизеля, профилирование КС выполнялось также для частичного режима, соответствующего принятому коэффициенту загрузки для судового дизеля Км=0,75, после чего принималось компромиссное решение.
В качестве второго критерия согласования принято условие минимизации попадания топлива в пристеночную зону гильзы цилиндра αW6. Установлено, что если эта доля превышает (0,15...0,20)Вс, следует ожидать снижения экономичности двигателя на 2…3%, заметного увеличения выброса продуктов неполного сгорания топлива, «осоляривания» масла и т.п.
При прочих равных условиях доля топлива, достигающая втулки цилиндра, зависит от следующих параметров:
σW6=f(γw, hz, pf, ic. dc, γc).
Если при ранее выбранных pf, ic, dc, γc более половины цикловой порции топлива распределяется у периферийной стенки КС, необходимо применить камеру с увеличенным надпоршневым зазором и выбрать оптимальные значения γw, hz.
В качестве третьего критерия согласования принято ограничение на долю топлива в смыкающихся потоках от соседних струй у периферийной поверхности КС – σW7. Если на номинальном режиме работы σW7=0, то рассматривалась возможность увеличения ic при согласованном уменьшении dc. Исследования тепловозных и судовых дизелей типа ЧН25/27, ЧН26/34, ЧН32/32 показали, что при оптимальном суммарном проходном сечении распылителя µcfc выгодно увеличивать ic до такой величины, при которой на номинальном режиме работы имеется небольшое перекрытие зон смесеобразования от соседних струй (σW7≈(0,1...0,15)Вc).

Расчетное согласование параметров цикла, характеристик распылителя форсунки и формы КС

Окончательное решение по рациональным параметрам топливной аппаратуры и формы КС принималось после их совместного согласования с термодинамическими параметрами цикла. На первом этапе были согласованы ε, pint и γс. В этом сочетании γс выступает в роли фактора ограничения ε в связи с ее существенным влиянием на стесненность развития топливных струй в КС. Выбор осуществлялся по условию достижения максимального КПД цикла по характеристике работы дизеля: ηi=f(ε, pint, γс) при ограничениях рmax=15,5 МПа и Тт≤625 К. Оптимальное значение ε связано с противоположным влиянием на ηi термодинамического КПД цикла и стесненности КС для свободного развития топливных струй.
На втором этапе исследования уточнялись значения ic, dc, γw при выбранных ранее ε=10,5; pint=0,4 МПа; γс=150°. Расчеты показали существенную стесненность развития топливных струй не только по радиусу камеры сгорания, но и по окружности гребня поршня. Так, для ic=10 доля топлива в районе смыкания зон смесеобразования от соседних струй σW7>0,15Вс. Уменьшение количества распыливающих отверстий ic до 9 не привело к существенному уменьшению σW7 вследствие увеличения φВПР и времени взаимодействия топливной системы со стенкой КС. Поэтому с учетом частичных режимов работы приняли ic=10. Установлено, что при работе двигателя на полной мощности и γw=const изменение dc в пределах 0,45...0,55 мм несущественно влияет на ηi. Это объясняется противоположным влиянием d32, φВПР и σW7. С учетом частичных режимов работы, когда рост ηi связан с относительным повышением давления впрыскивания топлива и качества его распиливания, приняли dc=0,45.
Результаты расчета показателей цикла подтвердили оптимальность угла наклона периферийной стенки, полученного на этапе профилирования КС, γw=65°. В результате согласования ηi увеличился на 4,5% и достиг 0,46.
Среди камер сгорания с высоким гребнем лучшей оказалась КС с максимально возможным диаметром тора, обеспечивающим lw=110 мм. Однако наличие глубоких выборок под клапаны не позволяет полноценно использовать для смесеобразования и сгорания запасенный в них воздушный заряд. Поэтому в КС высота гребня поршня была снижена до исключения выборок под клапаны при сохранении неизменной степени сжатия ε=13,8.
Окончательно для дизелей типа 6ЧН26/34 был рекомендован вариант комплектации топливной аппаратуры и КС, обеспечивающий снижение эксплуатационного расхода топлива по сравнению с исходной на 3%.
Таким образом, экспериментальные исследования по влиянию микро- и макрораспределения топлива в объеме неразделенных КС на показатели рабочего процесса форсированных дизелей с диаметром цилиндра 120...360 мм и частотой вращения 500...2000 мин-1 подтвердили изложенные в данной работе основные критерии оптимального согласования параметров топливоподачи с формой КС. Экспериментальная проверка расчетных методов подтвердила их соответствие по индикаторным показателям на уровне 98…99%. Турбины и Дизели

Использованная литература

1.    Процессы в перспективных дизелях/Под редакцией А.Ф. Шеховцова. Изд-во «Основа» Харьковского ун-та, 1992. С. 352.
2.    Марченко А.П., Сукачев И.П., Гаврилов В.В. Методика расчета движения и распределения топлива в камере сгорания форсированных дизелей//Двигатели внутреннего сгорания. 2005, №1. С. 53-58.