(495) 647-14-00
Skype nevi6631
(929) 588-38-58
Фартех в Твиттере Фартех в Вконтакте Фартех в Фейсбуке Фартех в Живом Журнале Фартех в Гугль +

zakaz@farlam.ru

      Открытие дизель центра

 


Процесс сгорания в дизелях

Дизель является двигателем с воспламенением от сжатия, в котором поступающий в цилиндры воздух сжимается в камере сгорания до очень высокого уровня. В процессе сжатия воздух подогревается до температуры, достаточной для самовоспламенения впрыскиваемого топлива.

С его высоким индикаторным КПД (в очень крупных малооборотных дизелях достигающих более 50%) дизель считается наиболее эффективным ДВС. Значение дизелей подчеркивается их высокой топливной экономичностью вместе с низким уровнем содержания вредных веществ в ОГ и шумности благодаря, например, применению предварительного впрыска топлива.

Дизели могут работать как по четырехтактному, так и по двухтактному циклам, хотя практически все автомобильные дизели являются четырехтактными (рис. 1 и 2).


Рис.1 Принцип работы двигателя с возвратно-поступательным движением поршня. 1-камера сгорания; 2- поршень;3 - кривошипно-шатунный механизм; 4- цилиндр; 5- коленчатый вал; Vh - рабочий объем цилиндра; Vc - объем камеры сжатия; S-ход поршня.

Четырехтактный рабочий цикл

Такт впуска

Во время такта впуска поршень движется вниз (к НМТ) и через открытый впускной клапан и впускной канал без дроссельной заслонки засасывает воздух в камеру сгорания.

Такт сжатия

Во время такта сжатия поступивший в цилиндр воздух сжимается поршнем, движущимся теперь вверх (к ВМТ). Степень сжатия E дизелей обычно находится в пределах от 14:1 до 24:1. В процессе сжатия воздух подогревается до температуры порядка 900”С. За некоторое число градусов п.к.в. топливная система обеспечивает впрыск топлива в горячий воздух в цилиндре под давлением до 2050 бар.

Такт сгорания (рабочий ход)

После периода задержки воспламенения, составляющего несколько градусов п.к.в., в начале такта сгорания тонко распыленное топливо самовоспламеняется и практически полностью сгорает. Происходит дальнейший подогрев заряда в цилиндре и повышение давления. Энергия, выделяющаяся в результате сгорания топлива, действует на поршень, который перемещается вниз и преобразует тепловую энергию сгорания в механическую энергию (мощность и крутящий момент) посредством вращения коленчатого вала.

Такт выпуска

В такте выпуска поршень снова движется вверх и выталкивает продукты сгорания через открытый выпускной клапан. Свежий заряд воздуха опять поступает в цилиндр во время такта впуска, и четырехтактный рабочий цикл снова повторяется.

Камеры сгорания, турбонаддув и нагнетание воздуха

В дизелях применяются как разделенные, так и неразделенные камеры сгорания (предкамерные/вихрекамерные двигатели и двигатели с непосредственным впрыском топлива, соответственно).

Рис.2 Рабочий цикл четырехтактного дизеля. а - такт впуска, b - такт сжатия, с - рабочий ход, d - такт выпуска. 1 - впускной клапан, 2 - форсунка, 3 - выпускной клапан. М- крутящий момент, а - угол п.к.в.

Двигатели с непосредственным впрыском топлива (DI-direct-injection) являются более эффективными, чем их предкамерные варианты (IDI-indirect injection), то есть имеют более высокую топливную экономичность. Они устанавливаются на коммерческие автомобили и грузовики, а также на большинство современных легковых автомобилей с дизельными двигателями. Путем применения двухфазного впрыска топлива, в котором осуществляется предварительный впрыск небольшого количества топлива, высокая шумность процесса сгорания, свойственная дизелям с непосредственным впрыском топлива, может быть снижена до уровня, соответствующего предкамерным и вихрекамерным дизелям Благодаря более высокой топливной экономичности DI дизелей процент дизелей IDI неуклонно снижается.

В дополнение к предварительному впрыску топлива (для снижения эмиссии N0x и шума) для уменьшения эмиссии сажи успешно применяется также дополнительный (после основного) впрыск топлива. Дизели особенно приспособлены для использования турбонаддува или механического нагнетателя. При использовании турбонаддува не только повышаются мощность и КПД дизеля, но также снижается шумность процесса сгорания и выброс вредных веществ с ОГ.

Эмиссия вредных веществ с ОГ

Состав продуктов сгорания в дизеле зависит от конструкции двигателя, его мощности, частоты вращения и нагрузки. Например, на режимах частичной нагрузки доля токсичных веществ в ОГ составляет приблизительно 1% по массе. Организация рабочего процесса сгорания (полость в головке поршня, характер движения воздуха, коэффициент избытка воздуха, температура воздушного заряда, степень сжатия, наличие рециркуляции ОГ (EGR) и применение новых инженерных разработок в топливных системах оказывают влияние на образование и выброс вредных веществ с ОГ. Продуктами полного сгорания топлива в первую очередь являются вода и С02. В процессе сгорания также образуются перечисленные ниже вредные вещества, выброс которых лимитируется законодательством: оксид углерода (СО), несгоревшие углеводороды (СН), оксид азота (N0X), частицы (сажа, СН, сульфаты, абразивные вещества, грязь и вода), диоксид серы (S02).

Диоксид серы и сульфаты образуются из-за наличия в топливе серы. Особенно на холодном двигателе в ОГ содержатся такие составляющие, как неокисленные или только частично окисленные углеводороды в форме капель, которые сразу определяются в виде белого или голубого дыма, черного дыма (частицы сажи), а также отличающиеся сильным запахом ароматические углеводороды и альдегиды.

Рис.3 Характеристики впрыска топлива. 1 - предварительный впрыск, 2 - основной впрыск, 3 - крутой подъем характеристики давления впрыска (система Common Rail), 4 - ступенчатое повышение давления, 5 - кривая повышения давления (для традиционных систем впрыска), 6 - участок постепенного падения давления (для многоплунжерных рядных ТНВД и для ТНВД распределительного типа), 7 - участок резкого падения давления впрыска (для систем с насос-форсунками, индивидуальными ТНВД и в системе Common Rail), 8 - предшествующий основному вторичный впрыск, 9 - основной вторичный впрыск с периодом задержки.Ps- максимальное давление впрыска, b - период сгорания.

Характеристики впрыска топлива

Эмиссия вредных веществ в ОГ ДВС является фактором исключительной важности, что предъявляет к системам впрыска топлива в дизелях следующие требования:

  • угол опережения впрыска топлива должен устанавливаться исключительно точно. Даже небольшие отклонения в его величине приводят к значительному увеличению расхода топлива, выброса вредных веществ и шума сгорания;
  • давление впрыска должно соответствовать режиму работы двигателя, то есть мощности и частоте вращения. Кроме того, по возможности, эта адаптация не должна зависеть от других факторов;
  • неконтролируемый повторный впрыск или течь топлива (капание) приводят к увеличению эмиссии вредных веществ - впрыск топлива должен быть надежно и четко заканчиваться.

В зависимости от конкретного назначения двигателя требуется формирование
следующих характеристик впрыска (рис. 3):

  • предварительный впрыск (1) для снижения шума сгорания и эмиссии NOx;
  • форма характеристики давления впрыска (3), подъем которой происходит в период основного впрыска, обеспечивает снижение эмиссии NOx;
  • кривая характеристики давления (4) с выступом в период основного впрыска обеспечивает снижение эмиссии NOx и сажи;
  • характеристика основного впрыска (3, 7) обеспечивает снижение эмиссии сажи во время рециркуляции ОГ;
  • вторичный впрыск (8), следующий сразу за основным, служит для снижения эмиссии сажи;
  • основной вторичный впрыск (9), осуществляемый с периодом задержки, действует как агент снижения эмиссии NOx в каталитическом нейтрализаторе.

Характеристики обычного впрыска топлива

В традиционных топливных системах впрыска топлива давление в период основного впрыска непрерывно увеличивается по мере движения плунжера ТНВД. В ТНВД распределительного типа и в многоплунжерных рядных ТНВД с отсечными отверстиями реализуется только основной период впрыска (характеристика 5-6 на рис. 3), предварительный и вторичный впрыски при этом отсутствуют. Применение в ТНВД распределительного типа клапана-регулятора давления позволило обеспечить реализацию предварительного впрыска топлива (1 на рис. 3). На дизелях легковых автомобилей с насос-форсунками уже применяется гидромеханическое управление предварительным впрыском.

Рис.4 Изменение давления впрыска в традиционных топливных системах. 1 - высокая частота вращения двигателя, 2 - средняя частота вращения, 3 - низкая частота вращения.

В традиционных топливных системах дизелей создание давления впрыска и обеспечение цикловой подачи топлива непосредственно связано с синхронной работой кулачков и плунжеров ТНВД, Это приводит к реализации следующих характеристик впрыска:

  • подъем кривой давления впрыска увеличивается с увеличением скорости перемещения плунжера и количества впрыскиваемого топлива (рис. 4);
  • давление впрыска увеличивается в начале процесса впрыска и затем падает до давления, соответствующего моменту закрытия форсунки.

Результаты такой работы системы впрыска выглядят следующим образом: небольшие количества топлива впрыскиваются при низком давлении; кривая характеристики впрыска практически является треугольной. Такая форма требуется для обеспечения эффективного сгорания без рециркуляции ОГ (“мягкое” увеличение давления).

Максимальная величина давления впрыска является решающим фактором, определяющим нагрузку на ТНВД и его компоненты. Для топливной системы в целом это важно с точки зрения качества топливовоздушной смеси, образующейся в камере сгорания.

Предварительный впрыск топлива

Предварительный впрыск топлива позволяет получить более плавную, менее резкую кривую увеличения давления сгорания. Характер процесса сгорания топлива в значительной степени влияет на снижение шума сгорания и эмиссии N0x и СН.

Рис.5 Характеристика изменения давления в цилиндре двигателя и подъема иглы форсунки по частоте вращения коленчатого вала при отсутствии предварительного впрыска топлива.

При отсутствии рециркуляции ОГ давление сжатия в цилиндре плавно увеличивается, и только потом кривая давления совершает резкий скачок, как только начинается сгорание топлива (рис. 5). Именно этот резкий подъем давления сгорания в основном определяет шум сгорания в двигателе.

При наличии предварительного впрыска топлива в камеру сгорания подается “предварительная” небольшая доза топлива (1-4 мм ), что дает следующий эффект: период задержки воспламенения при основном впрыске уменьшается; кривая давления сгорания в цилиндре становится более пологой (рис. 6). Удельный эффективный расход топлива может изменяться в соответствии с началом основного впрыска, а также в зависимости от интервала между предварительным и основным впрысками топлива.

Снижение вредных выбросов с ОГ

Смесеобразование и сгорание

По сравнению с бензиновыми двигателями в дизелях используется топливо с более высокой точкой кипения (приблизительно 160-360 oС), которое легче воспламеняется (цетановое число около 50). Образование топливовоздушной смеси в дизелях может быть подразделено на две фазы: фаза предварительного смешения, которое происходит во время периода задержки воспламенения; диффузионная фаза, которая осуществляется во время процесса сгорания. Топливовоздушная смесь в дизелях является гетерогенной, поэтому для уменьшения выбросов сажи, СО и СН, а также чтобы избежать большого расхода топлива, двигатель должен всегда работать с высоким коэффициентом избытка воздуха (y>1.0). Состав топливовоздушной смеси является функцией следующих факторов:

Рис.6 Характеристика изменения давления в цилиндре двигателя и подъема иглы форсунки по частоте вращения коленчатого вала при наличии предварительного впрыска топлива.

  • числа сопловых отверстий в распылителе форсунки в соответствии со структурой закрученного потока воздуха;
  • направления струй топлива в зависимости от формы камеры сгорания, начала впрыска и продолжительности впрыска топлива;
  • давления впрыска топлива (размер и распределение капель топлива);
  • характеристика впрыска топлива (впрыск топлива как функция времени).

Частота вращения коленчатого вала двигателя, количество впрыскиваемого топлива, давление и температура вместе с коэффициентом избытка воздуха y являются параметрами, которые изменяются во время работы данного двигателя. Выходными показателями двигателя являются следующие величины: удельный расход топлива; эмиссия NOx(NO и N02); эмиссия твердых частиц; эмиссия СН; эмиссия СО; шум процесса сгорания.

При этом скоростные характеристики по мощности и крутящему моменту согласуются с требования производителя двигателя.

Все параметры, вовлеченные в процесс образования топливовоздушной смеси, оказывают влияние на величину мощности двигателя. Образованию NOx. способствуют высокие температуры сгорания, значения коэффициента избытка воздуха и структура потока воздуха в начале сгорания. Локальное образование сажи связано с отсутствием или недостатком воздуха и, следовательно, с неэффективным смесеобразованием.

Конструктивные меры, принимаемые при создании двигателя

Кроме перечисленных выше параметров, на эмиссию вредных веществ с ОГ и величину расхода топлива оказывают влияние форма камеры сгорания, выбор степени сжатия и характер движения воздуха в цилиндре.

В четырехклапанных головках блоков цилиндров расположение впускных и выпускных клапанов позволяет установить форсунку в центре головки, по отношению к каждому цилиндру, что обеспечивает оптимальную основу для формирования факела распыливания топлива в пространстве камеры сгорания. Использование турбокомпрессора с изменяемой геометрией соплового аппарата (VTG) обеспечивает широкий диапазон регулирования, заложенный в программируемые матрицы нагрузочных и скоростных режимов в микропроцессоре. А также сокращает время нарастания давления воздушного заряда и уменьшает противодавление ОГ. Охлаждение воздушного заряда снижает эмиссию вредных выбросов с ОГ и расход топлива.

Рециркуляция ОГ (EGR)

Рециркуляция ОГ является эффективным средством уменьшения образования NOx. В течение ряда лет и до настоящего времени EGR является современным средством, используемым в дизелях легковых автомобилей, и также применяемым для снижения эмиссии NQx с ОГ дизелей коммерческих автомобилей. Поскольку в соответствии с законодательно установленными стандартными циклами EGR в дизелях легковых автомобилей работает только при малых нагрузках и частотах вращения, в секторе мощных грузовых автомобилей необходимо обеспечить ее работу во всем диапазоне нагрузочных и скоростных режимов, задаваемых программируемыми матрицами.

Эффект EGR по снижению выбросов NOx с ОГ основывается на трех механизмах: снижение концентрации кислорода в камере сгорания; уменьшение потока ОГ, выходящего из выпускной системы; снижение температуры газов из-за более высокой теплоемкости Н20 и С02 (не принимающих участия в процессе сгорания).

Особенно эффективной является рециркуляция охлажденных ОГ. В двигателях легковых автомобилей общее количество рециркулирующих ОГ может доходить до 50%, а в двигателях коммерческих автомобилей составляет величину от 5 до 25%.

Для обеспечения рециркуляции ОГ на режимах малых нагрузок в двигателях легковых автомобилей всегда имеется перепад давлений ОГ между сечениями на выходе из турбины и на входе в компрессор (турбокомпрессор с клапаном перепуска ОГ или с регулируемой геометрией соплового аппарата турбины (VTG). Однако в двигателях коммерческих автомобилей при высоких нагрузках давление ОГ за турбиной обычно ниже, чем давление воздушного заряда перед компрессором или промежуточным охладителем воздуха. Для обеспечения требуемого для эффективной работы EGR перепада давлений турбокомпрессор должен быть соответствующим образом настроен, или должен использоваться турбокомпрессор с VTG. Также в перепускном канапе поступающего воздуха может использоваться труба Вентури (понижение давление в узком сечении). Регулирование EGR может также осуществляться путем управления разностью расходов при использовании массового расходомера воздуха.

Влияние характеристики топливоподачи

Наиболее важными параметрами, влияющими на характеристики двигателя, являются момент начала впрыска топлива, давление впрыска, форма характеристики впрыска, предварительный впрыск и дополнительный (после основного) впрыск топлива.

Легковые автомобили

На режимах близких к режимам испытательному циклу, запаздывание начала впрыска топлива позволяет уменьшить эмиссию NOx с ОГ. На больших нагрузочных и скоростных режимах при увеличении угла опережения впрыска снижается расход топлива и повышается мощность двигателя. Угол опережения впрыска на холодном (непрогретом) двигателе увеличивается (СН).

Коммерческие автомобили

На средних и больших нагрузках запаздывание начала впрыска топлива позволяет снизить эмиссию NOx с ОГ, однако при этом увеличивается расход топлива. На холодном двигателе и на режимах малых нагрузок для снижения эмиссии СН необходимо увеличивать угол опережения впрыска топлива.

В современных топливных системах, оснащенных системой электронного управления дизеля (EDC) угол опережения впрыска является адаптированной величиной, выбираемой ЭБУ. Управление углом опережения впрыска, или BIP (“Beginning of the Injection Period”, известный также как “Begin-of-injec- tion period”) осуществляется с точностью приблизительно ± 1 oп.к.в. В топливной системе Common Rail (CRS) управление углом опережения впрыска осуществляется с той же точностью путем подачи управляющего сигнала на электромагнитный клапан.

Давление впрыска топлива

Как правило, эмиссия сажи уменьшается по мере увеличения давления впрыска, а расход топлива уменьшается с увеличением угла опережения впрыска и увеличивается при его уменьшении, то есть при запаздывании начала впрыска топлива. Однако при уменьшении угла опережения впрыска расход топлива может быть немного снижен путем увеличения давления впрыска, хотя при этом увеличится выброс NOx с ОГ. Вместе с углом опережения впрыска и степенью рециркуляции ОГ давление впрыска топлива (то есть максимальное давление, или давление в аккумуляторе топлива), является одной из величин, которые должны быть тщательно оптимизированы. В условиях испытаний на одной стороне весов находятся величины расхода топлива и эмиссии сажи, а на другой - эмиссия NOx, и между этими величинами должен быть выбран разумный компромисс, В дизелях легковых автомобилей на режимах больших нагрузок/частоты врашения для достижения большой мощности и низкого удельного расхода топлива требуется очень высокое давление впрыска.

Характеристика впрыска топлива

Характеристика впрыска топлива определяется как зависимость массового расхода топлива в функции периода впрыска топлива.

Малый выброс NOx с ОГ и низкий шум сгорания являются следствием только небольшой дозы топлива, впрыскиваемой в период задержки воспламенения. Шум процесса сгорания также может быть значительно снижен путем точного дозирования предварительного впрыска. Подобным образом двухфазный впрыск (предварительный впрыск) приводит к снижению эмиссии NOx и уменьшению расхода топлива на режимах больших нагрузок. Хотя обычно при этом имеет место небольшое черное дымление на выпуске.

Эмиссия сажи может быть снижена применением дополнительного впрыска и тонким распыливанием топлива сразу после основного впрыска. Это вряд ли будет иметь какое-либо отрицательное влияние на другие характеристики двигателя. Дальнейшее совершенствование систем с дополнительным впрыском топлива постоянно проводится в опытно-конструкторских работах.



Лидеры продажи


 

Copyright 2006-2017 ООО "ФАРЛАМ" т.: +7 (495) 647-1400  Карта сайта

Информация на данном интернет-сайте носит исключительно информационный (ознакомительный) характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Для получения исчерпывающей информации о стоимости и характеристиках товаров обращайтесь к менеджерам по продажам