Реферат: Проектирование и моделирование двигателя внутреннего сгорания

Смесеобразование в разделенных камерах сгорания. Разделенные камеры сгорания состоят из вспомогательной и основной полостей, соединенных горловиной. В настоящее время применяют в основном вихревые камеры сгорания и предкамеры. Наименование вспомогательной полости (камеры) здесь распространено на всю камеру сгорания. Принципиально различен для рассматриваемых камер сгорания характер движения заряда в дополнительной камере. В случае вихревой камеры сгорания ось соединительной горловины направлена по касательной к внутренней поверхности сферической или цилиндрической вихревой камеры сгорания. Поэтому в последней создается направленное вихревое движение заряда. Скорость перетекания заряда через горловину и близкая к ней максимальная скорость движения заряда в вихревой камере достигают 100-200 м/с в зависимости от относительной величины объема вихревой камеры сгорания (V_в.к / V_с ) и относительной величины проходного сечения горловины (f_г / F_п ) (F_п - площадь поршня). Топливо впрыскивается через штифтовый распылитель в направлении.

Иногда для облегчения запуска применяют два сопловых отверстия, причем одно из них подает топливо в зону объема заряда с наибольшей температурой. Особенно велика доля топлива, подаваемого через это отверстие на пусковом режиме.

Движущимся зарядом топливо, поступающее из форсунки, отжимается к стенке вихревой камеры сгорания. Таким образом, и здесь имеют место элементы пристеночного смесеобразования. Нижнюю часть вихревой камеры нередко выполняют съемной теплоизолированной. Температура горловины вихревой камеры может доходить до 600- 650° С. Воздух, протекающий через нее, дополнительно нагревается, что способствует интенсивному смесеобразованию. Интенсификации смесеобразования способствует и то, что топливо приходит в соприкосновение с горячей съемной частью вихревой камеры сгорания. С ростом частоты вращения тепловой режим вихревой камеры сгорания и находящегося в ней заряда возрастает, что способствует ускорению смесеобразования и предпламенных реакций. Так как обычно объем V_в.к < (0,5 - 0,6) V_с , то в вихревой камере, куда подается вся порция топлива, на режимах больших нагрузок создается обогащенная смесь. Естественно, здесь невозможно полное сгорание топлива. В результате воспламенения давление в вихревой камере повышается. Горящий заряд начинает перетекать во вторую основную полость камеры сгорания, выполненную в виде фасонной выемки на поршне (рис. 3, а), где сосредоточена значительная часть еще не использованного для горения воздуха. При правильном выборе формы и расположения обеих полостей камеры сгорания и горловины в основной полости камеры сгорания происходит быстрое и достаточно полное догорание топлива.

Рис. 3 - Разделенные камеры сгорания: а - вихревая (на верхней проекции показано направление перетекания заряда из основной полости в вихревую камеру при сжатии, на нижней - из вихревой камеры в основную при расширении); б - вихревая и распылитель типа «Пннтакс» со вспомогательным пусковым распиливающим отверстием; в - предкамера; г - предкамера малого перепада давления дизеля MWM

Относительные объем и сечение горловины в случае предкамеры (рис. 3, в), как правило, меньше, чем у вихревой камеры сгорания. Малые f_г / F_п вызывают повышенные потери на перетекание заряда между обеими полостями камеры сгорания. Имеются, однако, предкамеры малого перепада давлений (рис. 3, г), в которых V_п.к / V_c и f_г / F_п близки к аналогичным значениям для вихревых камер сгорания, что вызвано стремлением уменьшить потери энергии на перетекание заряда и тем самым повысить экономичность предкамерного дизеля.

Направление осей отверстий, соединяющих цилиндр с предкамерой, таково, что при перетекании заряда на такте сжатия в последней создается беспорядочное движение заряда. Скорости перетекания достигают 300 м/с и более. Впрыскивание осуществляется навстречу потоку заряда, поступающему из цилиндра. При сжатии давление в цилиндре больше давления в предкамере. Интенсивная турбулизация заряда в предкамере способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом, интенсивному смесеобразованию. В результате быстрого, но неполного сгорания обогащенной смеси давление в предкамере резко возрастает. Начинается перетекание горящего заряда в основную полость камеры сгорания, где благодаря интенсивному перемешиванию топливо быстро и достаточно полно догорает даже при малых избытках воздуха (а = 1,15 - 1,2).

Как и в случае вихревой камеры сгорания, повышение температуры вспомогательной камеры и перетекающего в нее заряда, происходящее при увеличении частоты вращения и нагрузки, способствует интенсификации процесса смесеобразования и более быстрому воспламенению топлива. Несмотря на резкое повышение давления во вспомогательной камере сгорания (особенно при предкамерном смесеобразовании), увеличение давления над поршнем происходит сравнительно медленно в результате постепенного перетекания горящего заряда из вспомогательной камеры сгорания. Топливо догорает в основной полости большей частью уже после в. м. т., что не вызывает резкого повышения давления в полости над поршнем.

Смесеобразование при наддуве. При наддуве дизеля возрастает плотность, а нередко и температура заряда в цилиндре. Воспламенение ускоряется. Поэтому возникает необходимость существенного увеличения пробивной способности топливных струй. Для этого обычно увеличивают диаметр сопловых отверстий. Чтобы обеспечить высокие давления впрыскивания, одновременно увеличивают объемную скорость вытеснения топлива плунжером путем увеличения его диаметра и скорости. Сочетание элементов системы топливоподачи целесообразно подобрать так, чтобы продолжительность впрыскивания топлива при наддуве, когда требуется подача больших порций топлива, была не больше, чем на дизеле без наддува, а давления впрыскивания были бы даже выше. При этом создаются благоприятные условия для смесеобразования и тепловыделения.

В случае газотурбинного наддува плотность заряда в цилиндре увеличивается с ростом частоты вращения и нагрузки, а продолжительность периода задержки воспламенения по времени сокращается. Чтобы обеспечить требуемое проникновение топливных струй за период задержки воспламенения, топливоподающая аппаратура должна обеспечивать более резкое увеличение давлений впрыскивания с увеличением частоты вращения и нагрузки, чем на дизеле без наддува.

При наддуве вследствие увеличения плотности заряда может возрасти снос капель топлива вращающимся зарядом и увеличиться угол конуса струй. Скорость движения заряда не зависит в заметной степени от давления на впуске. Оптимальное значение скорости движения заряда при наддуве оказалось несколько меньшим, чем без наддува, в связи с отмеченным увеличением сноса и угла конуса струй.

Выводы

1. Проанализировав выражение эффективной мощности следует, что эффективная мощность двигателя может быть повышена в общем случае за счет:

а) увеличения рабочего объема цилиндра (увеличения линейных размеров диаметра цилиндра и хода поршня);

б) увеличения числа цилиндров;

в) увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя;

г) перехода с четырехтактного на двухтактный цикл;

д) повышения низшей теплоты сгорания топлива;

е) повышения плотности заряда и коэффициента наполнения (например, путем наддува, а также за счет улучшения организации газообмена, снижения сопротивлений на впуске и выпуске, применения инерционного наддува для увеличения дозарядки и т.д.);

ж) повышения индикаторного КПД (за счет совершенствования процесса сгорания и сокращения потерь теплоты топлива в процессах сжатия и расширения);

з) повышения механического КПД двигателя (например, за счет использования высококачественных масел, уменьшения соприкасающихся поверхностей, сокращения насосных потерь и т.д.).

2. В случае разделенных камер сгорания повышенными оказываются тепловые и газодинамические потери. Поэтому теплоиспользование в дизелях с разделенными камерами сгорания хуже. В то же время применение таких камер сгорания облегчает форсирование двигателя по частоте вращения. Это связано с интенсификацией смесеобразования и предпламенных реакций при увеличении п.

В дизелях с разделенными камерами сгорания продолжительность периода задержки воспламенения меньше и выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала в меньшей степени растет при увеличении п. Это обеспечивает возможность достижения благоприятного тепловыделения при умеренных нагрузках на детали в широком диапазоне частот вращения. Дизели с разделенными камерами сгорания могут работать бездымно и с допустимой токсичностью отработавших газов при меньших избытках воздуха, чем дизели с однополостными камерами сгорания. Поэтому, несмотря на худшее теплоиспользование, эффективность их цикла обычно не уступает эффективности цикла дизелей с неразделенной камерой сгорания.

Снижение механических потерь можно достичь выбором однополостных камер сгорания вместо разделенных, в результате исключения практически потерь на перетекание заряда.

3. Наполнение цилиндров. При неизменной цикловой подаче топлива увеличение коэффициента наполнения η_v и плотности заряда перед впускными органами р_к ведет к пропорциональному росту ά. Это сопровождается увеличением η_i и пропорциональным повышением р_t . В случае изменения цикловой подачи топлива пропорционально росту произведения η_v р_к неизменным останется ά. Если избежать существенного удлинения впрыскивания и нарушения оптимальных условий смесеобразования, то теплоиспользование не ухудшается и р_t растет пропорционально η_v р_к .

Для дизелей с однополостной камерой сгорания и большим числом сопловых отверстий увеличения коэффициента наполнения можно добиться, если использовать два впускных клапана на цилиндр и уменьшить отношение хода поршня к диаметру цилиндра (S/D). Оба эти мероприятия способствуют увеличению проходных сечений впускных клапанов. В дизелях с камерой в поршне и малым числом сопловых отверстий минимальное сечение системы впуска располагается нередко во впускном канале, а не в клапане. Последнее связано с необходимостью обеспечения высокой исходной скорости вращения заряда, зависящей от скорости воздуха в канале.

Поэтому увеличение проходного сечения в клапанах не приводит к заметному росту коэффициента наполнения. Следует также иметь в виду, что при уменьшении S/D в дизелях с камерами сгорания в поршне, имеющими малое d_кс /D, заметно возрастает объем воздуха в надпоршневом зазоре, что неблагоприятно влияет на развитие тепловыделения.

4. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра. Размеры двигателя, выраженные через диаметр цилиндра Dи перемещение поршня S, зависят от номинальной частоты вращения п_н . Из выражения средней скорости поршня с_п = Sn/30 следует, что при увеличении частоты вращения, чтобы избежать роста средней скорости поршня, от которой зависят механические потери двигателя, его надежность и износостойкость, следует уменьшать ход поршня. При неизменном рабочем объеме цилиндра уменьшение хода поршня должно сопровождаться увеличением диаметра цилиндра. Это возможно, однако, лишь до определенных пределов, так как чрезмерное уменьшение отношения хода поршня к диаметру цилиндра (S/D) может привести к неблагоприятному изменению массовых и габаритных показателей двигателя, росту механических и термических нагрузок и ухудшению теплоиспользования. Опыт создания дизелей показывает, что в случае однополостных камер сгорания малого диаметра и разделенных камер сгорания наилучшие показатели обеспечиваются при S/D= 1,0 - 1,4. При меньших S/Dухудшается использование воздуха вследствие увеличения содержания его в «мертвых» зонах.

При большинстве однополостных камер сгорания не удается эффективно использовать возможности увеличения проходного сечения в клапанах при увеличении диаметра цилиндра, так как наполнение цилиндра ограничивается в основном величиной минимального сечения во впускном канале. В дизелях с однополостными камерами сгорания большого диаметра целесообразно применение S/D< 1. В карбюраторных двигателях применяются S/D= 0,85 - 1,05.