Введение. На современном этапе развития сфера автомобильного транспорта претерпевает серьезные изменения. К автомобилям предъявляются определенные требования. К таким относятся: рациональность конструктивных решений при создании транспортной техники, безопасность, приспособленность к различным природным условиям, простота технической эксплуатации и ремонта, эргономичность, параметры массы, простота обслуживания, экономичность и экологичность.
Основным элементом автомобильного транспорта является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Существуют двигатели, работающие на бензине, дизельном и газообразном топливе.
Дизельные двигатели отличаются экономичностью, экологичностью и долговечностью. При этом данные отличия зависят от качественных, конструктивных, технологических факторов изготовления и организации возгорания дизельного топлива и воздуха[1].
Здесь необходимо подчеркнуть, что немотря на политику электрификации автомобильного транспорта и разработки альтернативных видов топлива, в 2022 году дизельные грузовики оставались доминирующим выбором для покупателей в Европейском союзе, на их долю приходилось 96,6% от общего числа новых регистраций (по сравнению с 95,9% в 2021 году). Несмотря на значительный рост в прошлом году, электромобили по-прежнему составляют лишь 0,6% рынка грузовых автомобилей ЕС. На автомобили с альтернативным двигателем приходилось 2,8% всех грузовиков, проданных в ЕС[2].
Цель исследования. В настоящее время во многих странах мира приняты строгие меры по экологической безопасности транспортных средств, что снижает привлекательность этого транспорта, требуя дополнительные расходы, что способствует повышению себестоимости автомобиля. Загрязняющие окружающую среду газы вырабатываются в результате сгорания топливно-воздушной смеси - дизельного топлива в цилиндре, между поршнем и головкой блока цилиндра ДВС. Процесс возгорание имеет сложную структуру, негативно влияет на организм человека и окружающую среду. Кроме того, от качества горения топливно-воздушной смеси зависит коэффициент полезного действия двигателя. В этой связи, целью исследования является системный анализ многофакторного и сложного процесса горения дизельного топлива, в том числе снижение расхода топлива и содержания вредных веществ в коллекторных газах, с параллельным увеличением эффективной мощности и с уменьшением образования шума двигателя.
Материал и методы исследования. Вырабатываемая двигателем мощность зависит от крутящего момента. Крутящий момент создается в процессе сгорания топлива.
Кроме того, крутящий момент максимально зависит от частоты вращения коленчатого вала и лимитирован следующими основными требованиями: дымность выхлопных газов, ограниченность давления в цилиндрах, наличие тепловой нагрузки на детали, качество топлива и т.д.
В дизельном двигателе очистка отработавших газов и подавление шума осуществляются в значительной степени внутри самого двигателя, т.е. путем управления процессом сгорания топлива[3]. Сам процесс горения происходит при взаимодействии нескольких элементов – топлива, кислорода в нужном объеме, механизмов и систем ДВС.
В данном двигателе сгорание топлива состоит из нескольких отдельных периодов или фаз. Основными условиями являются: создание высокого давления в цилиндре и организация правильного впрыска топлива в соответствии с углом вращения коленчатого вала.
1. Период задержки воспламенения топлива. Ближе к завершению такта сжатия начинается впрыск топлива в камеру сгорания, однако воспламенение топливно-воздушной смеси начинается не сразу.
2. Быстрое сгорание. Эта фаза сгорания возникает, когда топливо впервые начинает гореть, создавая внезапное повышение давления в цилиндре. Именно это внезапное и быстрое повышение давления в камере сгорания вызывает характерный стук дизельного двигателя.
3. Контролируемое горение. После того, как происходит быстрое сгорание, начинает сгорать остаток топлива в камере сгорания и впрыск продолжается. Этот процесс происходит в районе форсунки, содержащей топливо, окруженное воздухом. Это топливо сгорает при смешивании с воздухом.
4. Догорание топлива. На этом этапе несгоревшее топливо должно полностью сгореть. Рисунок 1 показывает график зависимости изменения давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала дизельного двигателя.
Рисунок 1. График зависимости изменения давления от угла поворота коленчатого вала дизельного двигателя
Следует отметить, что для снижения уровня вредных выбросов автопроизводители находят новые технологические решения для совершенствования поршневых двигателей внутреннего сгорания. В отмеченных выше дизельных ДВС применяются свечи накалывания. Свечи накаливания используются в ДВС с камерой предварительного сгорания и могут использоваться в двигателях с непосредственным впрыском для облегчения запуска. Свеча накаливания-это нагревательный элемент, который использует 12 вольт от аккумулятора и способствует запуску холодного двигателя, выделяя тепло для воспламенения топлива[4, 5].
Результаты исследования и их обсуждение.
Анализ процесса горения показывает, что поступающаее в камеру сгорания топливо (на графике точка 1) для полного испарения и окисления с кислородом требует определенного времени. Это время тем больше, чем больше отклонения от теоретических заданных параметров двигателя и качества топлива. Период задержки воспламенения обычно составляет 12-25° угла поворота коленчатого вала или 0,001 - 0,003 с. Таблица 1 показывает периоды и характеристики горения в цилиндре дизельного двигателя.
Чем лучше распылено топливо при впрыскивании в цилиндр, чем выше давление и температура воздуха в конце сжатия, тем меньше период задержки воспламенения топлива и, следовательно, лучше параметры процесса сгорания[7].
Период задержки воспламенения включает в себя время, необходимое для распада струй на капли, некоторого продвижения капель по объему камеры сгорания, прогрева, частичного испарения и смешения топливных паров с воздухом, а также время саморазгона химических реакций.
Таблица 1
Периоды и характеристики горения в цилиндре дизельного двигателя
|
Периоды горения |
Поворот колен.вала ϕ° |
Время периода, мкс |
Диаметр капель, мкм |
Направления движения поршня |
Давление Р, Па |
Температура Т, °С |
|
Задержка воспламенения топлива (Точка 1) |
12-25 |
0,001-0,003 |
30,40 |
в верх |
2,5-5 |
750-1000 |
|
Быстрое сгорание (Точка 2) |
10-20 |
0,008-0,0015 |
10,20 |
в верх |
6-9 |
1600-1800 |
|
Контролируемое горение (Точка 3) |
15-25 |
0,0012 |
парообразное |
вниз |
5,5-8 |
1800-2200 |
|
Догорание (Точка 4) |
50-60 |
0,0035-0,005 |
сгоревшее топливо |
вниз |
3-4 |
630-930 |
Во второй фазе горения (точка 2) в цилиндре происходит самовоспламенение и быстрое горение начинается с момента воспламенения, и заканчивается в момент достижения максимального давления в цилиндре. В первую очередь сгорают однородные слои смеси топлива и воздуха хорошо перемешанные между собой.
Третья фаза горения (точка 3) показывает плавное изменение давления. Началом этой фазы считается конец второй фазы, а окончанием - момент, соответствующий достижению максимальной средней температуры газов в цилиндре.
Четвертая фаза горения (точка 4) - догорание начинается в момент достижения максимальной температуры и продолжается в течение всего времени догорания топлива. В течение этой фазы догорает топливо, не успевшее сгореть в третьей фазе, причем происходит это в условиях недостатка кислорода, так как значительное его количество уже израсходовано. Поэтому догорание протекает медленно.
Выводы
Для того, чтобы повысить КПД двигателя и снизить уровень вредных выбросов необходимо более точное управление системой впрыска и горение топлива. В частности, полное сгорание находящегося в цилиндре топлива возможено при обеспечении большего количества воздуха, чем требуется теоретически.
Здесь также надо учитыват тот факт, что смесеобразование и возгорание топлива в дизельных ДВС требует постоянной корректировки. Так как, каждая частичка воздуха участвует в процессе горения топлива. Это осуществляется в течении очень короткого периода времени. Следствием становится неравномерное распределение топливно-воздушной смеси.
Считается целесообразным, когда диаметр распыленного в камеру сгорания капель равен 10-20 мкм. Наряду с этим, на качество смесеобразования оказывает существенное влияние качество топлива - вязкость топлива.
Конструктивным способом влияние на отмеченный процесс является повышение давления распыливания топлива, которое приводит к уменьшению диаметра капель, увеличению дальности полета частиц топлива. Обеспечение температуры самовоспламенения на 100-200°С выше требуемого также благотворно влияет на все указанные выше показатели ДВС.