Анализ результатов расчета смесеобразования разных двигателей

d42gs_an.gif (7195 bytes)

prevgray.gif (1301 bytes) home.gif (1299 bytes) english.gif (2062 bytes) nextgray.gif (1360 bytes)
Среднеоборотный судовой дизель Д42 Дизель с наддувом грузовика КамАЗ Тракторный дизель СМД со смещенной форсункой Безнаддувный дизель ЯМЗ 236

     С помощью программного комплекса ДИЗЕЛЬ-2/4т были про изведены расчетные исследования множества двигателей с разными условиями смесеобразования.     
     Ниже приведены результаты расчета четырех различных дизелей, имеющих существенно разную организацию смесеобразования и разные уровни форсирования. На основании анализа полученных расчетных данных можно судить об эффективности рабочего процесса двигателей и путях его совершенствования.
    В результате расчета движения и развития  каждой из топливных струй вычисляется количество топлива, попавшего в каждую из характерных зон:
- оболочку струи и оболочку пристеночного потока;
- ядро свободной струи;
- ядро пристеночного потока;
- область пересечения пристеночных потоков;
- поверхность крышки цилиндра;
- поверхность зеркала цилиндра.
Внутри одной характерной зоны существуют приблизительно одинаковые условия испарения топлива. Скорости испарения топлива в разных зонах очень сильно отличаются.    
     Методика расчета была тщательно проверена по имеющимся экспериментальным данным.
    Все приведенные  слайды с изображением топливных струй получены с помощью программы  "Fuel Jet Visualization".


    Хорошие показатели дизеля по экономичности достигаются при высокой скорости сгорания, в том случае, когда в результате интенсивного впрыска получаются мелкие капли и наибольшее количество топлива попадает во фронт свободной струи, в разреженную оболочку струи и оболочку ее пристеночного потока, где имеются наилучшие условия для испарения и нет недостатка в кислороде. Как можно меньше топлива должно попадать на поверхность головки цилиндра. Попадание топлива на зеркало цилиндра - недопустимо.


Среднеоборотный судовой дизель Д42.

      В качестве примера организации объемного смесеобразования можно привести рабочий процесс среднеоборотного дизеля Д42.

d42_pic.gif (10401 bytes)

Среднеоборотный дизель Д42


D = 300 мм
S = 380 мм.
n=750 1/мин.
Pi=20.7 бар.

Сопла 8 х 0.5

Все струи идентичны.

Полученное расчетным путем распределение топлива по зонам (на момент окончания развития струй) позволяет провести анализ положительных и отрицательных факторов смесеобразования.

? струи 1 Sum Позитивные факторы:
    
Интенсивный впрыск при максимальном давлении 1300 бар позволяет получить относительно мелкие капли d32=23 мкм.
     Вследствие интенсивного впрыска большая часть топлива свободной струи рассеивается в оболочке, доля топлива в уплотненном ядре свободной струи (где условия испарения плохие) не превышает
5% за весь период впрыска (См. слайд, кривая:Jet Core).
     Струи топлива развиваются в не стесненных стенками условиях. Поэтому
84.3% топлива от каждой струи попадает в разреженную оболочку самой струи и ее пристеночного слоя, а также в передний фронт свободной струи. И только 13.5% топлива попадает в пристеночный поток, развивающийся по горячей  поверхности чугунного поршня.
     Константа испарения для пристеночного потока на горячей поверхности достаточно высока. Это обеспечивает высокую скорость испарения (и сгорания) в этой зоне.

Негативные факторы не значительны:
    
Пересечение пристеночных потоков весьма мало: только 3% топлива попадает в эти зоны. В результате чего оболочка недополучает всего
2 % топлива, а ядро пристеночного потока  - 1% соответственно.  Негативные последствия пересечения пристеночных потоков - малоощутимы.
      На зеркало цилиндра (где очень плохие условия испарения)  топливо практически не попадает (
0.41 %).

Оболочка струи и прист. потока 84.3% 82.2%
Ядро свободной струи 1.73% 1.73%
Ядро пристеночного потока 13.5% 12.5%
Область пересечения прист. потоков 0.97% 3.0%
Поверхн. головки цилиндра 0 0
Зеркало цилиндра 0.41% 0.41%

Общее тепловыделение получается достаточно интенсивным: через 22 градуса после окончания впрыска выгорает  95 % топлива.


Двигатель грузовика КамАЗ 7405.

      Если струи топлива развиваются в стесненных условиях камеры в поршне транспортного двигателя, то распределение топлива носит иной характер. Ниже представлены результаты расчета смесеобразования двигателя грузовика КамАЗ 7405.

Двигатель грузовика
КамАЗ 7405.

D/S=120/120.
n=2200 1/мин.
Pi=12.1 бар.

Сопла: 4х0.33

Все струи идентичны.


Распределение топлива по зонам (на момент окончания развития струй)

? струи 1 Sum     Средней интенсивности впрыск при максимальном давлении 650 бар позволяет получить капли d32=25 мкм.
     Вследствие невысокой интенсивности впрыска велика доля топлива в уплотненном ядре свободной струи (где условия испарения плохие). Так в середине топливоподачи доля топлива в ядре достигает 20 %  (См. слайд, кривая:Jet Core).
     
Струи топлива развиваются в условиях, стесненных стенками. К концу впрыска 74.5% топлива от каждой струи попадает в разреженную оболочку самой струи и ее пристеночного слоя. И 22.2% топлива попадает в пристеночный поток, развивающийся по горячей  поверхности стального поршня.
     Константа испарения для пристеночного потока на горячей поверхности достаточно высока. Это обеспечивает высокую скорость испарения (и сгорания) в этой зоне.
     Пересечение пристеночных потоков отсутствует.
     На поверхность головки и зеркала цилиндра (где очень плохие условия испарения)  топливо не попадает.
Оболочка струи и прист. потока 74.9% 74.9%
Ядро свободной струи 2.9 % 2.9 %
Ядро пристеночного потока 22.2% 22.2%
Область пересечения прист. потоков 0 0
Поверхн. головки цилиндра 0 0
Зеркало цилиндра 0 0

     Не смотря на то, что распределение топлива в КС дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием не столь благоприятно, как в двигателе с объемным смесеобразованием (соотношение количества топлива в объеме и на стенке [ VWR ] для него равно  3.37  против 6.58 у среднеоборотного), общая скорость тепловыделения остается достаточно высокой благодаря большому избытку воздуха (a=2.15 против a=1.75 у среднеоборотного дизеля). 95 % топлива в КС КамАЗ 7405 сгорает через 25 градусов после окончания впрыска, почти также как в среднеоборотном дизеле. Но этот двигатель гораздо менее форсирован. Если форсировка его возрастет и увеличится продолжительность впрыска, струи начнут мешать друг другу, и скорость сгорания  снизится.   Замедление сгорания вследствие пересечения пристеночных потоков начинает происходить тогда, когда суммарная доля топлива в этих зонах достигает 10 % и более.


Тракторный дизель СМД

Если струи топлива развиваются в разных условиях, то анализ следует провести для каждой струи.Ниже представлен пример расчета тракторного двигателя СМД.

cmd_anim.gif (24432 bytes)
Нумерация струй
num_jets.gif (631 bytes)

На виде сбоку  отображается  струя ?1.

Тракторный двигатель СМД

D/S=120/140.
n=1800 1/мин.
Pi=10. бар.

Сопла: 4х0.33


Распределение топлива по зонам (на момент окончания развития струй)%

? струи 1 2 3 4 Sum     При мало интенсивном впрыске (максимальное давление 350 бар) средний диаметр капель составляет  d32=30 мкм. Струи при свободном развитии имеют развитое уплотненное ядро (См. графики распределения топлива, кривые: Jet Core), где может быть сосредоточено до 20% топлива (для длинных струй), которое очень медленно испаряется (константа испарения меньше чем в оболочке в 100 раз). Пока струи не столкнутся со стенкой, в разреженной оболочке доля топлива не велика. И только после столкновения оболочка интенсивно развивается. В результате скорость испарения в первой половине впрыска мала.
      Струи топлива развиваются в разных условиях. Две струи разгоняются вихрем, а две тормозятся. Часть топлива одной из струй затекает в надпоршневой зазор и осаждается на поверхности головки цидиндра.
       Константа испарения для пристеночного потока на поверхности алюминиевого поршня не высока. Это не обеспечивает высокой скорости испарения (и сгорания) в зоне пристеночного потока.
       Пристеночные потоки не пересекаются.
       На зеркало цилиндра (где очень плохие условия испарения)  топливо не попадает.
Оболочка струи и прист. потока 17.0 19.6 21.0 17.1 74.7
Ядро свободной струи 0.1 0.4 0.6 0.1 1.2
Ядро пристеночного потока 7.8 5.0 3.4 7.57 23.8
Область пересечения прист. потоков 0 0 0 0 0
Поверхн. головки цилиндра 0.1 0 0 0.2 0.3
Зеркало цилиндра 0 0 0 0 0

 

Распределение топлива по зонамCmd_jet1.gif (3834 bytes)

Струя ? 1 очень быстро достигает стенки.  Из-за низкого давления впрыска(350 бар) струя имеет мощное плотное ядро, которое плохо испаряется. Интенсивное образование оболочки начинается только после укладки фронта струи на стенку. В результате только 68% массы этой струи   распределяется в объеме, а на стенку попадает 31.6% (VWR = 2.15). В данном случае малая длина свободной струи является положительным фактором, так как в ее плохо испаряющемся ядре в середине впрыска  сосредоточено лишь 7% топлива (Jet Core).

Распределение топлива по зонамCmd_jet2.gif (3837 bytes)

Струя ? 2  продолжительное время развивается в объеме, однако из-за низкого давления впрыска до 20% топлива сосредоточено в плотном осевом ядре свободной струи, где оно практически не испаряется (Jet Core).   Интенсивное развитие оболочки начинается после соударения струи со стенкой. К концу впрыска в оболочку попадает 78.4% топлива, а на стенку 20% (VWR=3.92). 

Распределение топлива по зонамCmd_jet3.gif (3935 bytes)

Струя ? 3. Ее развитие в объеме тормозится вихрем, и она достигает стенки позже всех. За время свободного развития в плотном осевом ядре длительное время практически не испаряется 20% топлива (Jet Core ). Фронт струи медленно укладывается на стенку, и только после этого начинается интенсивное развитие оболочки. В конце впрыска в оболочке оказывается 84% топлива, а на стенке 13.6% (VWR=6.18).  

Распределение топлива по зонамCmd_jet4.gif (3813 bytes)

Струя ? 4 сильно деформируется вихрем и отбрасывается на стенку. Ее развитие аналогично струе ?1. Только если пятно от первой струи вихрем вытягивается длинным эллипсом по стенке, то на пятно этой струи вихрь действует против сил инерции, выжимая топливо вглубь камеры и в надпоршневой зазор. Около 1% топлива оседает на поверхности головки цилиндра (Cyl.Head) .    Отношеие VWR=2.26

     Соотношение количества топлива в объеме и на стенках КС - VWR для  дизеля СМД составляет 3.13  (почти такое же как для двигателя КамАЗ). Однако, крупные капли топлива, малая скорость испарения, особенно в период первой половины впрыска, а также пристеночного потока из-за пониженной температуры поршня,  приводят к тому, что общая скорость тепловыделения получается  достаточно низкой, несмотря на высокий коэффициент избытка воздуха (a=2.0 ): 95 % топлива в КС сгорает через 70 градусов после окончания впрыска.   


     Эффективным средством увеличения скорости испарения и сгорания является организация вихря в камере сгорания. Воздушный вихрь деформирует не только свободные струи, но и образованные ими пристеночные потоки, которые вытягиваются в направлении вихря и могут смыкаться между собой. Если площадь смыкания пристеночных потоков становится значительной, то доля топлива, попадающего из них в разреженную оболочку струи снижается, что приводит к снижению общей скорости испарения и тепловыделения (расход топлива и эмиссия дыма возростают).

Безнаддувный дизель ЯМЗ 236.

Ниже приведены результаты расчета процесса смесеобразования для безнаддувного дизеля ЯМЗ 236. Двигатель имеет закрутку заряда, близкую к оптимальной. Оптимаьная интенсивность вихря была определена экспериментально на одноцилиндровом отсеке.

Jamz_pic.gif (8041 bytes)

Безнаддувный дизель
  ЯМЗ 236

D/S=130/140.
n=2100 1/мин.
Pi=9.15 бар.

Сопла: 4х0.32


Распределение топлива по зонам (на момент окончания развития струй)

? струи 1 Sum      Впрыск средней итнесивности при максимальном давлении 690 бар позволяет получить капли со средним диаметром d32=27 мкм.
     Доля топлива в уплотненном ядре свободной струи (где условия испарения плохие) не превышает 10% за весь период впрыска (См. слайд, кривая: Jet Core).
     Струи топлива развиваются в стесненных стенками условиях. Интенсивное образование разреженной оболочки начинается после соударения струи со стенкой. 65.8% топлива от каждой струи попадает в разреженную оболочку самой струи и ее пристеночного слоя. 28.07% топлива попадает в пристеночный поток, развивающийся   поверхности алюминиевого поршня.
     Струи образуют обширные зоны пристеночных потоков, которые пересекаются между собой: суммарное количество топлива в зонах пересечения пристеночных потоков составляет 13.4%. В результате уменьшается доля топлива в разреженной оболочке с 65.8% до 57.5%, а доля топлива в обычном пристеночном потоке снижается с 28.08% до 23%, что негативно сказывается на общей скорости испарения и тепловыделения. Однако достаточно высокая интенсивность тангенциального вихря нейтрализует этот отрицательный эффект. При увеличении интенсивности вихря снижение скорости испарения будет все более значительным и расход топлива будет расти.
      
Относительно большое количество топлива оседает на поверхности головки цилиндра: 5.6%
. Однако головка цилиндра отлита из чугуна и имеет относительно высокую температуру, что не позволяет сильно снизиться скорости испарения на этой поверхности.
       На зеркало цилиндра (где очень плохие условия испарения)  топливо не попадает.
Оболочка струи и прист. потока 65.8% 57.5 %
Ядро свободной струи 0.55 % 0.55 %
Ядро пристеночного потока 28.07 % 23.0 %
Область пересечения прист. потоков 5.07% 13.4 %
Поверхн. головки цилиндра 5.6 % 5.6 %
Зеркало цилиндра 0 0

   Соотношение количества топлива в объеме и на стенках КС  - VWR для  дизеля ЯМЗ 236 составляет 2.5   (для двигателя СМД - 3.13; для КамАЗ -  3.37; для Д42 - 6.58). Не благоприятное распределение топлива в КС   этого дизеля  является причиной малой   скорости испарения. Малая скорость испарения, особенно в период первой половины впрыска приводит к тому, что общая скорость тепловыделения получается  не высокой: 95 % топлива в КС сгорает через 45 градусов после окончания впрыска.   


    Для того чтобы добиться хорошего смесеобразования, быстрого сгорания   и  низкого расхода топлива следует направлять каждую струю таким образом, чтобы максимальное количество топлива попадало в зоны с хорошими условиями  испарения. Это прежде всего оболочка струи и, в меньшей степени, ядро пристеночного потока. Следует избегать попадания большого количества топлива в зоны пересечения пристеночных потоков соседних струй, а также на зеркало цилиндра и головку цилиндра, особенно, если головка выполнена из алюминиевого сплава и имеет низкую температуру.
      Однако для снижения эмиссии NOx приходится осуществлять другие мероприятия, которые приводят к взаимопересечению пристеночных потоков соседних струй, попаданию топлива на поверхность головки цилиндра, снижению скорости сгорания и росту эмиссии сажи. Использование комплекса ДИЗЕЛЬ-2/4т и встроенной в него программы "Fuel Jet Visualization" позволяет увязывать эти противоположные тенденции и находить выгодные компромиссы.

 

prevgray.gif (1301 bytes) home.gif (1299 bytes) e-mail.gif (1629 bytes) nextgray.gif (1360 bytes)