Смесеобразование в дизельных двигателях

Категория:

   Автомобили и трактора

Публикация:

   Смесеобразование в дизельных двигателях

Читать далее:

   Мощность и экономичность двигателя

Смесеобразование в дизельных двигателях

Смесеобразование в дизельных двигателях протекает за очень короткий промежуток времени, примерно в раз меньший, чем в карбюраторных. Поэтому получение однородной смеси в камере сгорания таких двигателей представляет значительно более трудную задачу, чем в карбюраторных. Для обеспечения своевременного и полного сгорания топлива необходимо вводить значительный избыток воздуха и применять ряд других мер, обеспечивающих хорошее перемешивание воздуха и топлива.

Чтобы уменьшить коэффициент избытка воздуха, а следовательно, повысить среднее эффективное давление и литровую мощность, необходимо улучшить качество смесеобразования за счет:
— согласования формы камеры сгорания с формой топливного факела, выбрасываемого из форсунки при подаче топлива;
— создания в камере сгорания интенсивных воздушных потоков вихрей, которые способствуют перемешиванию топлива с воздухом;
— осуществления тонкого и однородного распыливания топлива.

Выполнение первых двух условий обеспечивается применением камер сгорания специальных форм. Тонкость и однородность распыливания топлива улучшается с увеличением давления впрыска, уменьшением диаметра соплового отверстия форсунки и вязкости топлива.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

По способу смесеобразования дизельные двигатели бывают с неразделенными и разделенными камерами сгорания.

Неразделенные камеры представляют собой единый объем, ограниченный днищем поршня и поверхностями головки и стенок цилиндра. В этот объем через форсунку впрыскивается топливо в виде одной или нескольких струй, и в нем происходят процессы смесеобразования и сгорания. Для улучшения смесеобразования форму камеры сгорания стремятся согласовать с формой струи топлива, подаваемого форсункой, а воздушный поток заставляют вращаться вокруг вертикальной оси цилиндра и образовывать дополнительно кольцевой вихрь.

Основными преимуществами рассмотренного способа смесеобразования являются высокая экономичность и легкий пуск.

К недостаткам следует отнести сравнительно жесткую работу и высокое (25— 40 МПа) давление впрыска.

Разделенные камеры сгорания состоят из основной камеры, ограниченной днищем поршня и поверхностью головки, и дополнительной камеры, расположенной в головке цилиндра или в днище поршня. Основная и дополнительная камеры сообщаются между собой одним или несколькими каналами или горловиной.

В зависимости от способа улучшения смесеобразования дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания делятся на предкамерные и вихрекамерные.

В предкамерных двигателях камера сгорания делится на две полости: предкамеру, объем которой составляет 25—40% всего объема камеры сгорания, и основную камеру, расположенную над поршнем. Предкамера и камера сообщаются между собой каналом с одним или несколькими отверстиями небольшого диаметра. Сущность предка-мерного смесеобразования заключается в том, что при такте сжатия часть воздуха перетекает из цилиндра через соединительный канал в предкамеру. Топливо, впрыскиваемое форсункой в предкамеру, дополнительно распыливается встречными струями воздуха и самовоспламеняется. Так как в предкамере находится небольшая часть воздушного заряда, то в ней сгорает только часть впрыснутого топлива. При этом давление и температура в предкамере повышается и газы вместе с несгоревшим топливом с большой скоростью 200—300 м/с выдуваются через соединительный канал в основную камеру. За счет использования энергии части сгоревшего топлива образуется интенсивное вихревое движение и несгоревшее еще топливо хорошо перемешивается с воздухом и сгорает. Давление впрыска в предкамеру обычно составляет 8—13 МПа, что уменьшает износ топливной аппаратуры и обеспечивает большую надежность соединений трубопроводов высокого давления. Работают предкамерные двигатели более мягко — за счет последовательного сгорания топлива в двух объемах.

Рис. 1. Схемы камер сгорания дизельных двигателей

К недостаткам следует отнести большие потери тепла, увеличенный удельный расход топлива (из-за повышенных гидравлических потерь) по сравнению с двигателями с неразделенными камерами, затрудненный пуск двигателя, что вызывает применение специальных пусковых приспособлений.

В вихрекамерных двигателях камера сгорания также делится на две полости — вихревую камеру, объем которой составляет 60—80% объема камеры сгорания, и камеру, расположенную над поршнем. Вихревая камера и камера соединяются каналом специальной формы, который называется диффузором. Диффузор располагается по касательной по отношению к вихревой камере. При такте сжатия воздух из камеры через диффузор перетекает в вихревую камеру и приобретает в ней вращательное движение. Благодаря интенсивному завихрению воздуха в камере топливо, впрыснутое форсункой, хорошо распыливается, перемешивается в воздухом и самовоспламеняется. При сгорании топлива в вихревой камере давление и температура газов повышается и они вместе с несгоревшей частью топлива перетекают в основную камеру сгорания, где перемешиваются с неиспользованным еще воздухом и полностью сгорают. Преимущества и недостатки двигателей с вихревыми камерами по сравнению с двигателями с неразделенными камерами те же, что и у пред-камерных двигателей.

—

В дизельных двигателях топливо воспламеняется от сжатия воздуха в цилиндре при такте сжатия. Смесеобразованием называется распыливание топлива, вводимого в камеру сгорания под большим давлением, и смешение его с сжатым воздухом. При давлении сжатого воздуха в цилиндре 35—38 кГ1см2 у дизельных двигателей топливо впрыскивается топливным насосом под давлением 120—130 кГ1см2 (а у двигателя Д-108 под давлением 200—210 кГ/см2) и вводится в камеру сгорания через сопло форсунки. При этом топливо приобретает скорость движения на выходе из сопла форсунки до 150—200 мДек, что дает струе необходимую скорость и глубину проникания в сжатый воздух в течение некоторого промежутка времени, а также нужный угол конуса струи — в пределах 15—20°. Различают несколько видов смесеобразования. В двигателях с раздельной камерой сгорания (Д-54А, СМД-14) применяется вихревое смесеобразование; в двигателях КДМ-100, 6КДМ-50 — предкамерное.

В двигателе Д-108 применена нераздельная камера сгорания, расположенная в днище поршня.

Вихревое смесеобразование. При наличии в двигателе вихревой камеры, имеющей сферическую форму, создается интенсивное вихревое движение воздушного заряда при такте сжатия, что способствует хорошему перемешиванию впрыснутого топлива с воздухом. При такте сжатия воздух вытесняется из полости цилиндра и, проходя с большой скоростью через канал, расположенный наклонно-касательно к стенке камеры, вихреобразным потоком заполняет камеру. Вихревые потоки сжатого воздуха подхватывают струю топлива, дополнительно ее распыливают и равномерно распределяют по всему объему вихревой камеры. Частицы топлива, соприкасаясь со сжатым и сильно нагретым воздухом, сами нагреваются и воспламеняются. Таким образом, топливо, впрыскиваемое в вихревую камеру, начинает гореть не сразу, а через некоторый промежуток времени. При воспламенении топлива поток газов с нарастающим давлением проходит вместе с частью несгоревшего воздуха через канал, имеющий диффузор, в основную камеру сгорания (в полость над цилиндром), в которой топливо и догорает. При таком способе смесеобразования топливо сгорает постепенно и давление нарастает плавно (мягко). Объем вихревой камеры у двигателя Д-54А равен 54% объема всей камеры сгорания.

Предкамерное смесеобразование. В ряде двигателей (КДМ-100, 6КДМ-50) камера сгорания разделена на две части: на предкамеру, расположенную в головке цилиндра, и основную камеру 6, которая представляет собой пространство над поршнем, образуемое сферической выемкой в его днище, и частично сферической выемкой в головке цилиндра.

Сущность предкамерного способа состоит в том. что для распыливания топлива в основном воздушном заряде используется энергия сгораемой части топлива в предкамере. Впрыснутое топливо, смешиваясь с горячим воздухом, воспламеняется и 20—30% его сгорает в предкамере. Давление в предкамере резко возрастает, достигая 75—80 кГ/см2 при давлении сжатого воздуха в цилиндре, равном 35—38 кГ/см2. В результате этого происходит перетекание газов и остальной части несгоревшего топлива через соединительный канал в основную камеру сгорания. Несгоревшая часть топлива испаряется и хорошо перемешивается с воздухом в основной камере, где горение топлива заканчивается. При таком устройстве камеры сгорания давление на поршень нарастает сравнительно плавно, что обеспечивает «мягкую» работу двигателя.

Рис. 2. Камеры сгорания:
а — вихревое смесеобразование двигателя Д-54А; б — вихревое смесеобразование двигателя СМД-14; в — предкамерное смесеобразование двигателей КДМ-100 и 6КДМ-50; г — смесеобразование при камере сгорания, расположенной в поршне двигателя Д-108;
1 — отверстие для установки форсунки; 2 — вихревые камеры; 3 — канал; 4 — стенки камеры; 5 и 14 — поршни; 6 и 13 — камеры сгорания; 7 — соединительный канал; 8 — предкамера; 9 — форсунка; 10 и 12 — головки цилиндров; 11 — рубашка охлаждения головки цилиндров

Смесеобразование при камере сгорания, расположенной в поршне. Неразделенная камера сгорания в поршне двигателя Д-108 имеет своеобразную форму, близкую к овальной. Смесеобразование в такой камере обеспечивает превращение в полезную работу большей части тепла из-за меньшей отдачи его в охлаждающую среду и меньшей потери энергии при протекании газов из камеры сгорания в надпоршневое пространство. Таким образом, эти двигатели работают экономичнее Других.

Лекция 19. Смесеобразование в дизельных двигателях

Лекция 19. Смесеобразование в дизельных двигателях

1. Особенности смесеобразования в дизелях

Особенностью двигателей с само­воспламенением от сжатия, или, как их принято называть, дизелей (по имени изобретателя Р. Дизеля), яв­ляется -приготовление горючей смеси топлива с воздухом внутри цилин­дров.

В дизелях топливо поступает от насоса высокого давления и посред­ством форсунки впрыскивается в ци­линдры под давлением, в несколько раз превышающим давление воздуха в конце такта сжатия. Смесеобра­зование начинается с момента пос­тупления топлива в цилиндр. При этом в результате трения о воздух струя топлива распыливается на мельчайшие частицы, которые обра­зуют топливный факел конусообраз­ной формы. Чем мельче распылено топливо и чем равномернее распреде­лено оно в воздухе, тем полнее сго­рают его частицы.

Испарение и воспламенение топли­ва осуществляются за счет высокой температуры и давления сжатого воздуха (к концу такта сжатия тем­пература воздуха составляет 550-700°С, а давление —3,5—5,5 МПа). Следует отметить, что после начала горения смеси температура и давле­ние в камере сгорания резко возрас­тают, что ускоряет процессы испаре­ния и воспламенения остальных час­тиц распыленного факела топлива.

Чтобы обеспечить наилучшие мощностные и экономические показатели работы дизеля, необходимо впрыски­вать топливо в его цилиндры до при­хода поршня в в.м.т. Угол, на который кривошип коленчатого вала не доходит до в.м.т. в момент начала впрыскивания топлива, назы­вают углом опережения впрыскивания топлива.

Для того чтобы форсунка впрыс­кивала топливо с требуемым опере­жением, топливный насос должен на­чинать подавать топливо еще рань­ше. Это вызвано необходимостью иметь некоторое время на нагнета­ние топлива от насоса к форсунке.

Угол, на который кривошип колен­чатого вала не доходит до в. м. т. в момент начала подачи топлива из топливного насоса, называют у г-лом опережения подачи топлива.

В цилиндры дизеля фактически поступает одно и то же количество воздуха независимо от его нагрузки. При малой нагрузке в цилиндрах практически всегда имеется доста­точное количество воздуха для полного сгорания топлива. В этом слу­чае коэффициент избытка воздуха имеет большую величину. С увели­чением нагрузки возрастает только подача топлива, но при этом значе­ние коэффициента избытка воздуха уменьшается, вследствие чего ухуд­шается процесс сгорания топлива. Поэтому минимальное значение коэффициента избытка воз­духа для различных типов дизе­лей, соответствующее их бездымной работе, устанавливают в пределах а= 1,3-М,7, что обусловливает так­же высокую экономичность дизелей по сравнению с карбюраторными двигателями.

Существенное влияние на улучше­ние смесеобразования и процесса сгорания оказывают способы приго­товления рабочей смеси и принятая форма камеры сгорания. По способу приготовления рабочей смеси разли­чают объемное, объемно-пленочное и пленочное смесеобразования. Каж­дому из этих способов присущи свои характерные особенности, для реали­зации которых требуются камеры сгорания с соответствующими кон­структивными решениями. Сущест­вующие камеры сгорания дизелей по общности основных признаков их конструкции объединяют в две боль­шие группы: неразделенные (одно-полостные) и разделенные (двух-полостные).

Неразделенные камеры сгорания (рис.1,а) представляют собой объем 3, заключенный между днищем поршня, когда он находится в ВМТ., и плоскостью головки 2. Такие каме­ры называют также однополостными с объемным смесеобра­зованием, так как процесс сме­сеобразования основан на впрыс­кивании топлива непосредственно в толщу горячего воздуха, находяще­гося в объеме камеры сгорания ди­зеля. При этом для лучшего пере­мешивания частиц распыленного топлива с воздухом его свежему за­ряду сообщают при впуске враща­тельное движение с помощью завихрителей или винтовых впускных ка­налов, а форму камеры сгорания стремятся согласовать с формой струи топлива, подаваемой форсун­кой 1. Такой принцип смесеобразова­ния используется в дизелях ЯМЗ и КамАЗ.

В современных дизелях использу­ется также пленочное смесе­образование, которое характе­ризуется тем, что большая часть впрыскиваемого топлива подается на горячие стенки шарообразной каме­ры сгорания, на которых оно обра­зует пленку, а затем испаряется, от­нимая часть тепла от стенок.

Принципиальная разница между объемным и пленочным способами смесеобразования заключается в том, что в первом случае частицы распыленного топлива непосредст­венно смешиваются с воздухом, а во втором основная часть топлива сначала испаряется и в парообразном состоянии перемешивается с воз­духом при интенсивном вихревом движении его в камере.

Разновидностью указанных спо­собов смесеобразования является объемно-пленочное смесе­образование, которое обладает свойствами как объемного, так и пленочного смесеобразования. Су­щественным преимуществом этого процесса является возможность соз­дания многотопливных дизелей, поз­воляющих использовать наряду с ди­зельным топливом высокооктановые бензины и спиртовые (метоноловые) смеси. В отечественном автомобиле­строении к таким двигателям можно отнести дизель ЗИЛ-645, у которого процесс смесеобразования происхо­дит в объемной камере сгорания 5 (рис. 8.1, б), расположенной в пор­шне б в виде наклонной цилиндри­ческой выемки со сферическим дном. Вращение воздушного заряда в каме­ре обеспечивается при помощи вих-реобразующего канала, создающего кольцевой вихрь, направления вра­щения которого показано стрелкой. Топливо в камеру сгорания впрыс­кивается из двухдырочного распы­лителя форсунки 9, расположенного в головке цилиндра 4. Пристеночная струя 8 направлена вдоль обра­зующей камеры сгорания, объемная струя 7 пересекает внутренний объем камеры ближе к ее центру. Из-за пристеночной струи такой процесс часто называют объемным присте­ночно-пленочным смесеобразовани­ем. Этот процесс по сравнению с дру­гими способами смесеобразования дает хорошую экономичность и обес­печивает более мягкую работу дизе­ля с плавным нарастанием давления в его цилиндрах, а также улучшает пусковые качества дизеля, снижая его дымность и токсичность от­работавших газов.

Разделенные камеры сгорания сос­тоят из двух объемов, соединенных между собой каналами: основного объема, заключенного в полости над днищем поршня, и дополнительного, расположенного чаще всего в головке блока. Применяются в основном две группы разделенных, или двухполостных, камер: предка­меры и вихревые камеры. Дизели с такими камерами называют соот­ветственно предкамерными и вихре­выми.

В в их рекамерных дизе­лях (рис. 1, в) объем дополни­тельной камеры 10 составляет 0,5— 0,7 общего объема камеры сгорания. Основная 12 и дополнительная 10 камеры соединяются каналом 11, который располагается тангенциаль­но к образующей дополнительной камере, в результате чего обеспе­чивается вихревое движение воздуха.

В дизелях с предкамерным смесеобразованием предкамера имеет цилиндрическую форму и соединяется прямым кана­лом с основной камерой, расположен­ной в днище поршня. В результате частичного воспламенения топлива в момент его впрыскивания в предкамере создается высокая тем­пература и давление, способствую­щие более эффективному смесеоб­разованию и сгоранию топлива в основной камере.

Современные быстроходные вихреи предкамерные дизели имеют достаточно высокие мощностные по­казатели при сравнительно высокой степени сжатия. К их основным не­достаткам следует отнести увеличен­ный расход топлива по сравнению с дизелями с неразделенными камера­ми и затрудненный пуск двигателя, что вызывает применение специаль­ных пусковых устройств.

4

Процессы смесеобразования и сгорания в дизельных двигателях

«ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ»

Тема занятия «Действительные циклы ДВС»

         Контрольные вопросы по теме занятия:

Смесеобразование в дизелях

Классификация камер сгорания

Способы смесеобразования

Распыл топлива

Процесс сгорания топлива в дизелях (фазы сгорания)

Факторы, влияющие на процесс сгорания (перечислить)

КОНСПЕКТ

СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В ДИЗЕЛЯХ.

В дизелях смесеобразование происходит внутри цилиндров. Систе­ма смесеобразования обеспечивает:

распыливание топлива;

развитие топливного факела;

прогрев, испарение и перегрев топливных паров,

смешивание паров с воздухом.

Смесеобразование начинается в момент начала впрыска топлива и заканчивается одновременно с окончанием сгорания. В этом слу­чае время на смесеобразование отводится в 5—10 раз меньше, чем и карбюраторном двигателе. И по всему объёму образуется неодно­родная смесь (есть участки очень обеднённого состава, а есть участ­ки сильно обогащённого состава). Поэтому горение протекает при больших суммарных значениях коэффициента избытка воздуха (1,4-2,2).

Развитие смесеобразования и получение оптимальных результа­тов в дизеле зависит от следующих факторов:

формы камеры сгорания;

способа смесеобразования;

размеров камеры сгорания;

температуры поверхностей камеры сгорания;

взаимных направлений движения топливных струй и воздуш­ного заряда.

КЛАССИФИКАЦИЯ КАМЕР СГОРАНИЯ

Наряду с обеспечением оптимального смесеобразования камеры сгорания должны способствовать получению высоких экономиче­ских показателей и хороших пусковых качеств двигателей.

В зависимости от конструкции и используемого способа смесе­образования камеры сгорания дизелей делятся на две группы: неразделённые и разделённые.

Неразделённые камеры сгорания представляют собой единый объем и имеют обычно простую форму, которая, как правило, со­гласуется с направлением, размерами и числом топливных факелов при впрыске. Эти камеры компактны, имеют относительно малую поверхность охлаждения, благодаря чему снижаются потери тепло­ты. Двигатели с такими камерами сгорания имеют приличные экономические показатели и хорошие пусковые качества.

Неразделённые камеры сгорания отличаются большим разнооб­разием форм. Чаще всего они выполняются в днище поршней, ино­гда частично в днище поршня и частично в головке блока цилинд­ров, реже — в головке.

Разделённые камеры сгорания состоят из двух отдель­ных объёмов, соединяющихся между собой одним или несколькими каналами. Поверхность охлаждения таких камер значительно боль­ше, чем у камер неразделённого типа. Поэтому в связи с большими тепловыми потерями двигатели с разделёнными камерами сгорания имеют обычно худшие экономические и пусковые качества и, как правило, более высокие степени сжатия.

Однако при разделённых камерах сгорания за счёт использова­ния кинетической энергии газов, перетекающих из одной полости в другую, удаётся обеспечить качественное приготовление топлив­но-воздушной смеси, благодаря чему достигается достаточно полное сгорание топлива и устраняется дымление на выпуске.

Кроме того, дросселирующее действие соединительных каналов разделённых камер позволяет значительно уменьшить «жёсткость» работы двигателя и снизить максимальные нагрузки на детали кри­вошипно-шатунного механизма. Некоторое снижение «жёсткости» работы двигателей с разделёнными камерами сгорания может также обеспечиваться путём повышения температуры отдельных частей камер сгорания

Рисунок – Неразделённые камеры сгорания

а — полусферическая; б — тороидальная в по­ршне; в — камера ЦНИДИ;

г — вихревая в поршне; д — шаровая в поршне; е — камера Гесельмана; ж — цилиндрическая.

Рисунок – Камеры сгорания дизелей разделённого типа:

а — предкамера; б — вих­ревая камера в головке;

СПОСОБЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ

В зависимости от характера испарения, перемешивания с воздуш­ным зарядом и способа введения в зону горения основной массы впрыскиваемого топлива в дизелях различают объёмный, плёночный и объёмно-плёночный способы смесеобразования.

Объёмный способ смесеобразования. При объёмном способе смесеобразования топливо вводится в мелко распылённом капельножидком состоянии непосредственно в воз­душный заряд камеры сгорания, где затем оно испаряется и переме­шивается с воздухом, образуя топливно-воздушную смесь.

При объёмном смесеобразовании используют, как правило, неразделённые камеры сгорания (так называемый непосредственный впрыск). Качество смесеобразования в этом случае достигается в основном путём согласования формы камеры сгорания с формой и числом топливных факелов. При этом важное значение имеет рас­пыление топлива при впрыске. Коэффициент избытка воздуха для таких двигателей ограничивается значениями 1,5—1,6 и выше.

Плёночный и объёмно-плёночный способы смесеобразования. Способ смесеобразования, при котором топливо попадает не в центр воздушного заряда, а на стенку камеры сгорания и растекается по её поверхности в виде тонкой плёнки толщиной 12—14 мкм, называется плёночным. Затем плёнка интенсивно испаряется и перемешиваясь с воздухом, вводится в зону горения.

При объёмно-плёночном смесеобразовании топливно-воздушная смесь приготавливается одновременно и объёмным и плёночным способами. Этот способ приготовления смеси имеет место практически во всех дизелях и может рассматриваться как общий случай смесеобразования.

Плёночное смесеобразование устраняет два из основных недостатков дизелей: «жёсткость» работы и дымность при выпуске отработавших газов.

При плёночном смесеобразовании используется камера сгора­ния сферической формы, в которой осуществляется ин­тенсивное движение заряда: вращательное вокруг оси цилиндра и радиальное в поперечном направлении. Впрыск топлива осуществляется односопловой форсункой с давлением начала подъёма иглы 20 МПа. Впрыскиваемое топливо встречается с поверхностью стенки под острым углом и, почти не отражаясь от неё, растекается и «растягивается» попутными воздуш­ными потоками в тонкую плёнку. Имея большую поверхность контакта с нагретыми стенками камеры сго­рания, плёнка быстро прогревается и на­чинает интенсивно испаряться, и тем самым последовательно вводится в центр камеры сгорания, где к этому вре­мени образуется очаг горения.

Основным недостатком плёночного смесеобразования являются низкие пуско­вые качества двигателя в холодном состоя­нии в связи с малым количеством топлива, участвующим в первоначальном сгорании.

РАСПЫЛИВАНИЕ ТОПЛИВА

Впрыск топлива в цилиндры двигателя обеспечивается топливоподающей аппаратурой, которая в конечном итоге образует капельки топлива соответствующих размеров. При этом не допускается образование слишком мелких или крупных капель, так как струя должна быть однородной. Качество распиливания топлива особенно важно для двигателей с неразделёнными камерами сгорания. Оно зависит от конструкции топливоподающей аппаратуры, частоты вращения коленчатого вала двигателя и количества топлива, подаваемого за один цикл (цикловой подачи). При повышении частоты вращения коленчатого вала и цикловой подачи возрастают давление впрыска и тонкость распыливания. В течение единичного впрыска топлива в цилиндр двигателя изменяются давление впрыска и условия перемешивания частиц топлива с воздухом, В начале и конце впрыска струя топлива дробится на сравнительно крупные капли, а в середине впрыска происходит самое мелкое распиливание. Отсюда можно заключить, что скорость истечения топлива через отверстия распылителя форсунки изменяется неравномерно за весь период впрыска. Заметное влияние на скорость истечения начальных и конечных порций топлива оказывает степень упругости пружины запорной иглы форсунки. При увеличении сжатия пружины размеры капель топлива в начале и в конце подачи уменьшаются. Это вызывает среднее увеличение давления, развиваемого в системе питания, что ухудшает работу двигателя при малой частоте вращения коленчатого вала и малой цикловой подаче. Уменьшение сжатия пружины форсунки оказывает отрицательное влияние на процессы сгорания и выражается в увеличении расхода топлива и повышении дымления. Оптимальное усилие сжатия пружины форсунки рекомендуется заводом-изготовителем и регулируется в процессе эксплуатации на стендах.

Процессы впрыска топлива в значительной степени определяются также техническим состоянием распылителя: диаметром его отверстий и герметичностью запорной иглы. Увеличение диаметра сопловых отверстий снижает давление впрыска и изменяет строение факела распыливания топлива (рис. 58). Факел содержит сердцевину 1, состоящую из крупных капель и целых струек топлива; среднюю зону 2, состоящую из большого количества крупных капель; внешнюю зону 3, состоящую из мелко распылённых капель.

Рис.. Факел распыливания топлива:

1 — сердцевина, 2—средняя зона, 3 — внешняя зона,

l— длина факела, g — угол конуса факела.

Образование факела и его дальнобойность зависят от давления впрыска, диаметра соплового отверстия, плотности и подвижности воздуха. Чем больше давление впрыска и диаметр соплового отверстия, тем сильнее проникает факел в глубь камеры сгорания. Потоки воздуха в камере сгорания отклоняют факел впрыскиваемого топлива по направлению своего движения.

При эксплуатации форсунок следует учитывать, что засорение или закоксование хотя бы одного отверстия у многосоплового распылителя приводит к нарушению факелов распыливания топлива, а в итоге — к нарушению смесеобразования и процессов сгорания.

Условием нормального протекания рабочего цикла двигателя является умеренная скорость подачи топлива в начале впрыска, чтобы за период задержки воспламенения не накапливалось слишком много топлива в цилиндре. Тогда нарастание давления при воспламенении происходит плавно и двигатель работает мягко. Основная масса впрыскиваемого топлива должна подаваться с возрастающей скоростью, обеспечивающей лучшее проникновение капель топлива в удаленные точки камеры сгорания с целью полного использования находящегося там воздуха. Впрыск в заключительной стадии должен оканчиваться резко, так как при растянутом окончании топливо будет поступать с меньшей скоростью, и концентрироваться вблизи распылителя. В этом случае будет наблюдаться неполное сгорание и повышенное дымление.

Впрыск характеризуется количеством и скоростью истечения топлива за время цикловой подачи. Такая зависимость может быть изображена графически в виде характеристики впрыска, выбираемой заводом-изготовителем для каждого типа дизельного двигателя. Развитие процесса сгорания в дизельном двигателе зависит от характеристики впрыска топлива, длительности периода задержки его воспламенения и интенсивности движения воздуха в камере сгорания. Интервал времени между началом впрыска и воспламенением топлива составляет период задержки воспламенения. Он влияет на характер работы двигателя и зависит главным образом от свойств самого топлива, температуры в камере сгорания и угла опережения впрыска. При стандартном качестве топлива, если температура в камере сгорания возрастает, период задержки воспламенения уменьшается. Это снижает жесткость работы двигателя. Слишком большое опережение впрыска ведет к увеличению периода задержки воспламенения и жесткой работе двигателя, так как начало впрыска происходит в этом случае при сравнительно низких температурах в цилиндре.

СГОРАНИЕ СМЕСИ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ

Для осуществления действительного цикла в дизелях в воздушный заряд, сжатый в цилиндре до 3 – 7 МПа и нагретый за счёт высокого давления до 500 – 800 0С, под высоким давлением (до 150 МПа) через форсунку впрыскивается топливо. Сложные процессы смесеобразования и сгорания осуществляются за очень небольшой промежуток времени, соответствующий 20 – 250 поворота коленчатого вала (в 10 – 15 раз меньше чем в карбюраторных двигателях).

Рассмотрим индикаторную диаграмму дизельного двигателя (рис. 1).

точка 1 – впрыск топлива; точка 2 – начало горения;

Если учесть характер и интенсивность тепловыделения, изменение температуры и давления в цилиндре в разные моменты времени, то весь процесс горения можно условно разделить на четыре фазы:

Первая фаза горения (θ1) — задержка воспламенения, начинается с момента поступления топлива (точка 1) и заканчивается в момент отрыва кривой сгорания от линии сжатия (точка 2). Впрыск топлива происходит до прихода поршня в ВМТ.

Угол опережения впрыска топлива находится в пределах 20—35° поворота коленчатого вала.

Во время впрыска струя топлива, выходящая из форсунки под большим давлением, разбивается о плотные слои воздуха на мельчайшие капли, образуя факел распыления.

Концентрация топлива в таком факеле изменяется по поперечному сечению и длине. В ядре факела находятся наиболее крупные, а на периферии — наиболее мелкие капли, находящиеся друг от друга на значительных расстояниях. Следовательно, структура рабочей смеси в дизелях крайне неоднородна, поэтому здесь коэффициент избытка воздуха обычного смысла лишён, так как он не даёт представления о действительном составе смеси.

Локальные значения коэффициента избытка воздуха по различным зонам камеры сгорания могут меняться от 0 (жидкие капли) до ∞ (воздух). Именно наличие всей гаммы составов смеси и температур определяет возможность воспламенения в среднем очень бедной смеси, например, при α = 6 и более.

Таким образом, период задержки воспламенения включает в себя время, необходимое для распада струй на капли, некоторого продвижения капель по объёму камеры сгорания, прогрева, частичного испарения и смешения топливных паров с воздухом, а также время саморазгона химических реакций.

Если период задержки воспламенения больше продолжительности впрыска, то все топливо оказывается поданым в цилиндр до начала воспламенения. При этом большая часть его успевает испариться и смешаться с воздухом. В результате объёмного воспламенения этой части топлива в цилиндре развивается резкое повышение давления с высокими динамическими нагрузками на детали и повышенным уровнем шума. Поэтому длительный период задержки воспламенения нежелателен.

Продолжительность первой фазы сгорания составляет 1—3 мс, что соответствует 12—25° поворота коленчатого вала.

На продолжительность первой фазы сгорания влияют следующие факторы:

1. Воспламеняемость топлива, которая оценивается цетановым числом. Чем выше цетановое число, тем лучше воспламеняемость.

2. Давление и температура воздушного заряда в начале впрыска топлива. При увеличении давления и температуры период задержки воспламенения сокращается.

3. Тип камеры сгорания, который оказывает влияние на задержку воспламенения, так как в зависимости от типа камеры по разному будет проходить распространение топлива по объёму воздушного заряда и в пристеночной зоне. Кроме того температура стенок камеры сгорания также будет зависеть от ее типа.

4. Интенсивность направленного движения заряда в камере. Уве­личение интенсивности движения заряда несколько сокращает период задержки воспламенения.

5. Тип распылителя форсунки. Форсунка закрытого типа сокращает период задержки воспламенения.

6. Нагрузка на двигатель. С ростом нагрузки увеличивается давление и температура цикла, что приводит к повышению теплового режима двигателя, а это в свою очередь вызывает сокращение времени задержки воспламенения.

7. Частота вращения коленчатого вала. Увеличение частоты вра­щения коленчатого вала приводит к улучшению распыления, увеличению давления и температуры конца сжатия, что способствует сокращению первой фазы горения, особенно в дизелях с разделенными камерами сгорания. Продолжительность первой фазы горения при этом растет.

Вторая фаза горения (θ2) — самовоспламенение и быстрое горение начинается с момента воспламенения (точка 2) и заканчивается в момент достижения максимального давления в цилиндре (точка 3).

В первую очередь сгорают однородные слои смеси топлива и воздуха хорошо перемешанные между собой. При этом пламя распространяется очень быстро, соответственно быстро растёт Давление, в определённых случаях с образованием ударной волны, распространяющейся со скоростью звука. Но в отличие от карбюраторных двигателей в дизелях эти волны не переходят в детонационные, так как структура смеси по всему объёму камеры сгорания неравномерна. Это позволяет получать более высокую степень сжатия.

После того, как сгорит хорошо подготовленная к воспламенению топливовоздушная смесь, горение продолжается в зонах, где структура смеси более неравномерна. Здесь на индикаторной диаграмме наблюдается некоторый спад роста давления.

В течение второй фазы выделяется 30—45 % всей теплоты. Температура рабочего тела возрастает до 1600—1800 К. Максимальное давление может достичь 6—9 МПа, а при наддуве превысить 10 МПа. Продолжительность второй фазы 0,8—1,5 мс, что соответствует 10—20° поворота коленчатого вала.

На развитие и продолжительность второй фазы влияют следующие факторы:

1. Количество топлива, прошедшего предпламенную подготовку за период задержки воспламенения и сгорающее с большой скоростью. Чем больше подача топлива и мельче распыление, тем интенсивнее тепловыделение и рост давления.

2. Тип камеры сгорания. Влияние конструкции камеры на первую фазу горения приводит к определённому развитию и второй фазы, так как определяет количество топливовоздушной смеси, подготовленной к воспламенению в течение первой фазы.

3. Нагрузка на двигатель. С уменьшением нагрузки продолжительность второй фазы горения сокращается, так как уменьшается величина впрыскиваемой порции топлива и время его подачи.

4. Частота вращения коленчатого вала. При росте частоты вращения коленчатого вала улучшается качество распыления, сокращается продолжительность впрыска, растёт давление и температура заряда. Все это приводит к сокращению второй фазы горения.

Третья фаза горения (θ3) — характеризуется плавным изменением давления. Началом этой фазы считается конец второй фазы (точка 3), а окончанием — момент, соответствующий достижению максимальной средней температуры газов в цилиндре (точка 4).

К началу третьей фазы все несгоревшее топливо, поданное в цилиндр во время первых двух фаз, находится в виде капель или сгустков паров, которые отделены от зон со свободным кислородом фронтом пламени или продуктами горения. В результате происходит термическое разложение капель топлива (крекинг) с образованием частиц углерода в виде сажи, которая, покидая цилиндр вместе с отработавшими газами, вызывает сильное дымление на выпуске. Горение продолжается при увеличивающемся объеме камеры, поэтому давление плавно понижается.

За время третьей фазы выделяется 25—30 % теплоты, поэтому температура продолжает повышаться, достигая в конце фазы 1800—2200 К. Продолжительность третьей фазы — 1—2 мс, что соответствует 15—25° поворота коленчатого вала.

На развитие третьей фазы оказывают влияние следующие факторы:

1. Качество распыления и количество топлива, впрыскиваемого после начала сгорания. Чем меньше подано топлива до начала третьей фазы горения, тем меньше будет выделено теплоты в этой фазе, что характерно для работы дизеля на малых нагрузках.

2. Скорость движения воздушного заряда. Рост скорости движения заряда увеличивает тепловыделение, но это происходит до определённого момента. При чрезмерном завихрении заряда тепловыделение в третьей фазе снижается, так как в этом случае продукты сгорания из зоны одного факела попадают в зону другого, увеличивая неполноту сгорания.

3. Частота вращения коленчатого вала. С ростом частоты вращения коленчатого вала скорость движения заряда увеличивается, а распыление улучшается. Продолжительность третьей фазы сокращается.

Четвертая фаза горения (θ4) — 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.

За время четвертой фазы при полной нагрузке дизеля выделяется 15—25 % теплоты. Таким образом, общее количество тепловыделения к концу четвертой фазы оставляет 90—95 %. Остальные 5—10 % теряются вследствие неполноты сгорания топлива. Продолжительность четвертой фазы 3,5—5 мс, что соответствует 50—60° поворота коленчатого вала.

На развитие четвертой фазы горения оказывают влияние следующие факторы:

1. Турбулентное движение заряда, которое улучшает контакт топлива и воздуха и, следовательно, улучшает догорание.

2. Качество распыления в конце подачи топлива. Чем больше диа­метр капель, тем продолжительнее процесс догорания. Нечёткость отсечки топлива в конце впрыска, как и продолжительное снижение давления в конце впрыска не только снижают тепловыделение, но и вызывают закоксовывание сопел форсунок.

3. Попадание топлива на холодные стенки внутрицилиндрового пространства приводит к увеличению времени догорания, поэтому увеличение нагрузки дизеля до его прогрева нежелательно.

4. Наддув. Используя наддув, увеличивают количество подаваемого топлива, в том числе и путём затяжного впрыска, что приводит к увеличению времени догорания.

Образование смеси в дизельных двигателях | Автомобильный справочник

Отличительной особенностью дизельных дви­гателей является отсутствие внешних источ­ников зажигания. Исключение необходимости в них достигается за счет впрыска способного к воспламенению топлива в сильно сжатый и, следовательно, горячий воздух. Высокие конечные значения давлений и температур, свыше 600 °С и 100 бар на двигателях с турбо­наддувом обеспечивают чрезвычайно ровную работу двигателя. Образование смеси в дизельных двигателях, испарение, смешивание и последующее сгорание топлива могут происходить в течение очень короткого периода времени.

Содержание

1. Образование смеси в дизельных двигателях
2. Процесс сгорания в дизельных двигателях
3. Характеристики сгорания топлива в дизельных двигателях
4. Образование токсичных продуктов
5. Смешанные формы и альтернативные стратегии управления
   • Воспламенение от сжатия гомогенного заряда топлива в дизельных двигателях
   • Воспламенение от сжатия в двигателях с искровым зажиганием
   • Двигатели с искровым зажиганием с послойным распределением заряда топлива
   • Многотопливные двигатели

Образование смеси в дизельных двигателях

Процесс смесеобразования в основном опре­деляется взаимодействием впрыскиваемой струи топлива с полем воздушного потока в камере сгорания. Здесь проблема заключа­ется в быстром впрыске и приготовлении от­носительно больших масс топлива, до 200 мг на литр рабочего объема. Типичная продол­жительность впрыска составляет около 1 мс. Термин, используемый в отношении массо­вого расхода топлива, поступающего в камеру сгорания, — скорость впрыска (единица измерения: кг/с). Впрыск топлива, как правило, осуществляется форсунками с несколькими отверстиями.

Обычно используется комбинация отвер­стий диаметром от 120 до 150 мкм. Быстрому впрыску топлива и смесеобразованию способ­ствуют малый диаметр отверстий и высокое давление впрыска, достигающее 2000 бар.

Вначале диаметр струи топлива равен диа­метру отверстия. Однако, пройдя несколько миллиметров, струя распадается на отдель­ные капли, которые взаимодействуют с полем потока. Жидкая фаза струи топлива, в зави­симости от плотности рабочей среды, может проникать в камеру сгорания на несколько сантиметров, прежде чем она будет полностью атомизирована или испарится (см. рис. «Распространение струи топлива и смесеобразование в дизельных двигателях» ).

Образованию капель топлива и его ис­парению способствует турбулентность. В со­временных дизельных двигателях более 80% турбулентности в области образования струи топлива генерируется за счет впрыска топлива. Развитию турбулентности способствует движе­ние заряда топлива, причем на дизельных дви­гателях с плоской головкой блока цилиндров преобладают горизонтальные завихрения. До­полнительный вклад могут вносить воздушные потоки, вызываемые сжатием, и направлен­ные от наружной области камеры сгорания к внутренней (“потоки сжатия”) или такая кон­струкция камеры сгорания, в которой, напри­мер, контакт с горячей областью углубления в поршне, способствующий испарению.

Системы прямого впрыска топлива за несколько последних десятилетий продемонстрировали свои преимущества по сравнению с системами непрямого впрыска, такими как системы с вих­ревой камерой или форкамерой. В системах с непрямым впрыском топлива подготовка то­плива в основном осуществляется за счет фор­мирования локального потока в предкамере.

Процесс сгорания в дизельных двигателях

Процесс сгорания топлива в дизельном дви­гателе отличается от процесса в двигателе с искровым зажиганием степенью сжатия и за­жиганием. В целом процесс сгорания топлива в дизельном двигателе можно описать как три последовательных процесса: задержка зажи­гания: сгорание предварительно приготовлен­ной смеси и сгорание с контролем смесеобра­зования. В зависимости от рабочего состояния и диапазона эти процессы имеют различные временные составляющие (см. рис. «Сгорание топлива в дизельном двигателе» ).

Задержка зажигания относится к периоду времени между началом впрыска топлива и началом фактического процесса сгорания. В основном она определяется температурой в цилиндре, давлением в цилиндре и воспламе­няемостью топлива. На стадии задержки за­жигания проходят процессы смесеобразова­ния и первых, предварительных химических реакций топливовоздушной смеси. Задержка зажигания увеличивается, когда двигатель не прогрет или при использовании топлива пло­хого качества с низким цетановым числом.

Влияние давления в цилиндре менее значи­тельно, по сравнению с влиянием темпера­туры. Однако, увеличение давления также несколько снижает величину задержки за­жигания. Топливо, впрыснутое в течение за­держки зажигания, пока что не сгорает. Вели­чина задержки зажигания может составлять от 0,1 мс при работе двигателя в диапазоне номинальной выходной мощности до более 10 мс после пуска холодного двигателя.

Продолжительность задержки зажигания определяет процесс сгорания предвари­тельно приготовленной смеси. Чем продолжительнее задержка зажигания, тем больше топлива смешивается в воспламеняемой форме. Эта масса топлива может превышать 20 мг на один литр рабочего объема. Горе­ние, как правило, начинается на краю струи топлива, где топливо очень хорошо переме­шано с воздухом, и, следовательно, имеют место оптимальные для горения условия в отношении температуры и λ. В резуль­тате экзотермической реакции происходит местное повышение температуры до более чем 2300 К, которое быстро инициирует за­жигание еще несгоревшего, предварительно смешанного с воздухом топлива. При этом скорость горения определяется происходя­щими химическими реакциями. Самоускоряющаяся цепная реакция вызывает чрезвы­чайно быстрое сгорание топлива с высокими градиентами возрастания давления. По этой причине масса предварительно смешанного, преобразованного топлива на дизельных двигателях должна быть как можно меньше. Это обычно достигается путем предваритель­ного впрыска топлива, локальное сгорание которого вызывает начальное повышение температуры, снижающее эффект задержки зажигания топлива на стадии последующего основного впрыска.

Количество предварительно смешанного топлива может составлять от менее 1 % в диапазоне полной нагрузки до 100 % в диапазоне минимальной нагрузки. Остальное топливо сгорает в режиме контроля смеси. В отличие от сгорания предварительно смешанного топлива, во время сгорания в режиме контроля смеси, также называе­мого диффузионным сгоранием, скорость преобразования топлива определяется про­цессом переноса кислорода в зону горения. При этом трудно разделить зоны сгоревшего и несгоревшего топлива, поскольку четко определенный фронт пламени отсутствует. В основном диффузионное пламя устанав­ливается на краю струи, в ограниченном диапазоне, при 0,8<λ<1,4. При изменении граничных условий (например, условий даль­нейшего испарения топлива, переноса кисло­рода, контакта со стенками цилиндра) зона реакции также сдвигается в ту сторону, где преобладают локальные стехиометрические условия (см. рис. «Процесс сгорания в режиме контроля смеси» )

Сгорание в режиме контроля смеси преоб­ладает в диапазоне высоких нагрузок, когда имеет место впрыск большого количества топлива. Здесь процессы смесеобразования и сгорания протекают параллельно. Так же как при сгорании предварительно смешан­ного топлива, на скорость преобразования может оказывать влияние процесс впрыска. Меньшее, однако также ускоряющее влияние оказывают повышение температуры и давления, а также снижение содержания инертных газов. Доминирующими факторами явля­ются смесеобразование и перенос кислорода в зону горения за счет высокой локальной турбулентности.

По этой причине интенсивность турбу­лентности является определяющей пере­менной величиной в процессах сгорания топлива в дизельных двигателях. Турбу­лентность способствует созданию высоких давлений впрыска с высокой кинетической энергией струи топлива, которая в дальней­шем преобразуется в турбулентную кинети­ческую энергию. Локальная турбулентность вызывает быстрый перенос кислорода в ло­кальные зоны реакций. Это явление также поддерживается движением заряда топлива в цилиндре (горизонтальные завихрения, потоки сжатия), однако основной вклад осуществляется импульсом впрыскиваемой струи топлива. Так же как повышение давле­ния впрыска, можно рассмотреть целесоо­бразность увеличения диаметра отверстий. Однако увеличение скорости впрыска при­водит в основном к локальному переобогащению смеси, что отрицательно влияет на преобразование топлива.

Характеристики сгорания топлива в дизельных двигателях

Холодный пуск дизельных двигателей пред­ставляет собой особую проблему, в особен­ности при температурах наружного воздуха ниже -10 °С. При частоте проворота двигателя стартером менее 100 мин^-1 большая часть за­ряда топлива просачивается через поршневые кольца вовремя относительно медленной фазы сжатия. Кроме того, низкая температура в цилиндре увеличивает тепловые потери че­рез стенки. Результатом являются низкие пи­ковые давления (ниже 30 бар) и, в зависимо­сти от температуры наружного воздуха, низкие пиковые температуры (ниже 400 °С).

Испарение топлива в положении верх­ней мертвой точки вызывает дальнейшее охлаждение. Это приводит к очень большим задержкам зажигания. В крайних случаях зажигание вообще может отсутствовать, и топливо может накапливаться в цилиндре на протяжении нескольких рабочих ци­клов. Его зажигание после нескольких ра­бочих циклов, вследствие большой массы накопленного топлива, может приводить к созданию очень больших пиковых давлений свыше 150 бар.

Поскольку фаза холодного пуска не обе­спечивает времени, достаточного для над­лежащего гидродинамического образования пленки смазочного масла в опорных точках коленчатого вала, это оказывает негативное влияние на механические системы двига­теля. Отсюда следует, что облегчить процесс холодного пуска могут такие меры, как по­догрев поступающего в двигатель воздуха, смазочного масла или охлаждающей жидко­сти. Последнее, так же как повышение тем­пературы в камере сгорания, снижает трение в двигателе, что дает увеличение скорости проворота двигателя стартером.

С еще одним явлением приходится стал­киваться во время работы при очень высо­ких температурах наружного воздуха или на высоте более 1000 м над уровнем моря. Поскольку воздух имеет более низкую плот­ность, масса находящегося в цилиндре воздуха уменьшается. Вначале это не оказывает существенного влияния на процесс сгорания топлива. Однако, уменьшение количества избыточного воздуха вызывает повышение температуры отработавших газов.

Это явление также имеет место на двигате­лях с турбонаддувом. Поэтому необходимой мерой, прежде всего при работе на большой высоте, может быть снижение нагрузки.

По истечении периода приработки на ди­зельных двигателях наблюдается падение мощности порядка 1-3%. Причина этого заключается в системе впрыска топлива. Отложения нагара в топливных форсунках вызывают некоторое уменьшение диаметра отверстий форсунок, что приводит к сниже­нию массового расхода и, следовательно, к потере мощности. Эти отложения могут быть вызваны, например, высоким содержанием в дизельном топливе меди, цинка или иных загрязняющих веществ.

Образование токсичных продуктов и снижение содержания токсичных продуктов в выбросах дизельных двигателей

В отличие от двигателей с искровым зажига­нием, оборудуемых каталитическими нейтра­лизаторами отработавших газов, работаю­щими при λ = 1, значительно снижающими количество выбросов, в отношении дизель­ных двигателей значительно большее значе­ние имеет снижение образования токсичных продуктов в самом двигателе. Кроме продук­тов горения топлива, присущих двигателям с искровым зажиганием, таким как СO₂, Н₂O, NO_x, НС и СО, следует также учитывать вы­бросы сажи и твердых частиц.

Для снижения содержания оксидов азота в выбросах полезны меры, направленные на снижение температуры сгорания топлива. Это может быть сделано посредством сниже­ния концентрации кислорода в зоне горения. Температуру горения топлива также можно очень легко снизить, сдвинув момент зажи­гания в сторону запаздывания или снизив давление впрыска топлива.

Снижение давления впрыска топлива или концентрации кислорода, как правило, вы­зывает увеличение содержания в выбросах сажи. Образование сажи является сложным процессом, зависящим как от гидродинами­ческих, так и термодинамических граничных условий. Вначале значительное количество сажи образуется в зонах локального обогаще­ния смеси (λ < 1), однако в ходе последую­щих процессов сгорания топлива количество сажи уменьшается более чем на 70% за счет процессов окисления. Очень большое значе­ние имеет высокий уровень турбулентности, способствующий окислению сажи на стадии расширения. Однако, важную роль играет также уровень температуры. В целом на про­цесс образования сажи оказывают влияние локальные взаимодействия между струей впрыскиваемого топлива, зоной горения, не­сгоревшей смесью, геометрией поршня и протеканием процесса сгорания топлива.

Содержание в выбросах оксидов азота снижают меры, направленные на снижение температуры, такие как рециркуляция отработавших газов, процессы Миллера  или частичная гомогенизация. Все это с избытком компенсирует наблюдаемое при этом увеличение содержания сажи (см. рис. «Выбросы NO и сажи» ). Уровень сложности и затрат, необ­ходимых для снижения содержания обоих этих компонентов, весьма высок. В настоя­щее время все более широко применяется рециркуляция отработавших газов, для сни­жения содержания оксидов азота в сочета­нии с очень высокими давлениями впрыска (> 2000 бар).

В этом контексте следует различать вы­бросы сажи и выбросы твердых частиц. Сажа состоит из чистого углерода, в то время как твердые частицы также содержат капельки топлива или масла, частицы металла, про­дукты коррозии и сульфаты.

Соединения НС и СО обычно не имеют большого значения в отношении выбросов дизельных двигателей. Тем не менее, следует учитывать влияние на выбросы твердых ча­стиц углеводородов. В частности, происходит увеличение концентрации НС и СО в случае значительного сдвига момента зажигания в сторону запаздывания, сопровождаемого неполным сгоранием топлива.

Смешанные формы и альтернативные стратегии управления

Классическая стратегия управления дизель­ным двигателем характеризуется одним или более впрысками топлива в диапазоне ВМТ. Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием характеризуются гомогенным или частично гомогенным (по­слойным) смесеобразованием. В настоящее время разрабатываются альтернативные формы управления процессами, которые не могут быть однозначно связаны только с бензиновыми или только дизельными дви­гателями.

Воспламенение от сжатия гомогенного заряда топлива в дизельных двигателях

Пример HTML-страницы

Что касается процессов HCCI (воспламенение от сжатия гомогенного заряда топлива), ко­торым был посвящен ряд публикаций, целью является, посредством значи­тельного опережения момента впрыска (как минимум 40-50° угол поворота коленчатого вала до ВМТ) достичь гомогенизации, значи­тельного обеднения смеси и, следовательно, снижения содержания NO_x в выбросах. При этом надежное зажигание, тем не менее, бу­дет иметь место, благодаря высокой темпе­ратуре сжатия. В целях обеспечения контроля процесса сгорания степень сжатия должна быть снижена до 14-16. Для повышения тем­пературы в цилиндре при низких нагрузках обычно используется рециркуляция отрабо­тавших газов. Тем не менее, получить опти­мальные условия во всем диапазоне условий, в особенности в диапазоне высоких нагрузок достаточно трудно, поскольку при этом становятся очень высокими градиенты возрас­тания давления, и управление работой двига­теля в переходных режимах становится очень сложной задачей ввиду большого количества всех возможных состояний двигателя.

Воспламенение от сжатия в двигателях с искровым зажиганием

Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием были исследованы в отношении возможности использования ре­жима HCCI, аналогично дизельным двигате­лям, с целью достижения недросселированного обеднения смеси в диапазоне частичных нагрузок, что дает снижение расхода топлива по сравнению с двигателями, работающими в обычном стехиометрическом режиме. Не­достатки работы на обедненной смеси в отношении процессов преобразования в каталитическом нейтрализаторе компенси­руются чрезвычайно низким содержанием необработанных оксидов азота NO_x, благо­даря обеднению смеси. Надежное зажигание трудновоспламеняемой смеси достигается за счет высокой степени сжатия — свыше 13. Оптимальная степень сжатия является пере­менной величиной и может быть снижена за счет повышения температуры в камеры сгорания.

Двигатели с искровым зажиганием с послойным распределением заряда топлива

Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием с прямым впрыском топлива и послойным распределением за­ряда топлива имеют много общего с про­цессами в дизельных двигателях и, следо­вательно, представляют собой смешанную форму процессов, имеющих место в обыч­ных двигателях с искровым зажиганием и дизельных двигателях. Процессы сгорания топлива этого типа находят все более широ­кое применение, благодаря их более высо­кой эффективности в диапазоне частичных нагрузок, достигаемой за счет исключения дросселирования.

Многотопливные двигатели

Многотопливные двигатели, характеризую­щиеся возможностью использования раз­личных видов топлива, в настоящее время не играют важной роли в связи с невозможно­стью выполнения требований в отношении содержания вредных продуктов в отработавших газах.

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Пример HTML-страницы

Направления развития конструкций дизельных двс для совершенствования процессов смесеобразования и сгорания

4. Направления развития конструкций дизельных двс для совершенствования процессов смесеобразования и сгорания

4.1 Общие сведения о рабочем процессе дизельного двигателя

Вряд ли можно найти какую-либо другую область машиностроения, в которой одновременно существовало бы такое разнообразие конструктивных решений, как в камерах сгорания дизелей. Общим во всех случаях остается инициирование горения в результате самовоспламенения топлива, впрыскиваемого в нагретый сжатием воздух, и совместное развитие процессов смесеобразования и сгорания образующейся неоднородной смеси. Использование в некоторых случаях, в так называемых многотопливных дизелях, искрового зажигания не меняет существа дела, так как такое принудительное зажигание служит лишь вспомогательным средством, обеспечивающим воспламенение в оптимальный момент по фазе цикла независимо от свойств используемого топлива. В равной мере это относится и к установке в камерах сгорания тех или иных «горячих поверхностей » , облегчающих воспламенение впрыскиваемого топлива, а также нагреваемых электрическим током спиралей, обеспечивающих запуск холодного двигателя [2].

Однако возможные способы организации такого сложного и внутренне противоречивого процесса могут быть очень разнообразны, причем каждый из этих способов обладает своими преимуществами и недостатками. Наиболее широко используются в современных дизелях [2]:

1) Камеры сгорания открытого типа (однополостные), в которых достаточно равномерное распределение топлива в объеме воздушного заряда достигается применением форсунок с большим числом сопловых отверстий, причем специально организованное вихревое движение воздуха отсутствует (рис. 4.1, а).

2) Сходные по своим очертаниям, также однополостные камеры сгорания, в которых создается достаточно интенсивное вращательное движение воздушного заряда, что позволяет обойтись меньшим числом струй впрыскиваемого топлива; сюда же относятся камеры сгорания чечевицеобразной формы, образуемые соответствующими углублениями в днищах противоположно движущихся поршней двухтактных дизелей с прямоточной продувкой цилиндров (рис. 4.1, б).

3) Камеры сгорания, где основная полость, в которую впрыскивается топливо, выполняется в виде той или иной формы углубления в днище поршня, существенно меньшего диаметра, чем цилиндр. Процесс смесеобразования осуществляется за счет соответствующим образом организованного вихревого движения воздушного заряда, тангенциального (рис. 4.1, е) или радиального (рис. 4.1, г). В связи с тем, что начальные стадии процессов смесеобразования и сгорания локализуются в основной полости камеры, а завершение сгорания происходит уже в существенно иных условиях в полости цилиндра, такие камеры  называются полуразделенными.

4) Двухполостные, или разделенные, камеры, в которых топливо впрыскивается в той или иной конфигурации и размеров полость, отделенную от полости цилиндра одним или несколькими каналами относительно небольшого сечения (рис. 4.1, д, е). Смесеобразование здесь осуществляется за счет высоких скоростей втекания воздуха в дополнительную камеру в такте сжатия, а ускоренное завершение сгорания – за счет выбрасывания с еще более высокими скоростями не полностью сгоревших газов из дополнительной камеры в полость цилиндра в начале такта расширения.

В открытых камерах струи впрыскиваемого топлива не достигают стенок – имеет место так называемое объемно-струйное смесеобразование. В полуразделенных камерах вследствие относительно малого диаметра основной полости некоторая часть капель топлива достигает стенок, оседая на них в виде жидкой пленки, с поверхности которой происходит дальнейшее испарение, т. е. имеет место объемно-пленочное смесеобразование. К полуразделенным относятся также камеры с преимущественно пленочным смесеобразованием (М-процесс), а также с расслоением заряда (так называемое пристеночное смесеобразование). Особенности процессов в этих камерах будут рассмотрены отдельно.

Рассмотрим особенности процесса воспламенения и сгорания в случае объемно-струйного смесеобразования в открытых камерах без завихривания заряда.

Рекомендуемые материалы

Рис. 4.1. Схемы некоторых наиболее распространенных камер сгорания быстроходных дизелей [2]: а и б – открытые камеры с объемно-струйным смесеобразованием; в и г – полуразделенные камеры с объемно-пленочным смесеобразованием; д – с предкамерой;

е – с вихревой камерой; 1 – калильная свеча

В зависимости от конструктивных особенностей топливной аппаратуры, размеров сопловых отверстий форсунок и давлений впрыска топливо поступает в камеру сгорания в виде мелких капель, диаметр которых может колебаться в пределах 2 – 100 мкм. В начальный и конечный периоды впрыска капли крупнее, в середине впрыска они мельче; более крупные капли сосредоточены в центральной зоне факела распыла, мелкие – ближе к его периферии. Скорость движения капель при вылете из сопловых отверстий весьма велика (до 300 м/с), но по мере удаления от форсунки она быстро снижается из-за сопротивления сжатого воздуха. Последний, в свою очередь, подсасывается внутрь факела распыла создаваемым топливными струями эжекционным эффектом. Это приводит к тому, что последующие капли топлива движутся уже в спутном воздушном потоке и перегоняют предыдущие, успевшие потерять свою скорость, тормозятся и испаряются в основном в головной части факела, где они встречают на своем пути еще невозмущенный горячий воздух. В результате происходит как бы послойное заполнение каплями и парами топлива всего объема факела распыливания. Для возникновения воспламенения необходимо, чтобы какая-то часть впрыснутого топлива испарилась, и его пары смешались с воздухом, образуя горючую смесь, в которой должны успеть развиться прогрессивно ускоряющиеся предпламенные реакции. Этим объясняется обязательное наличие некоторого периода задержки воспламенения.

Вследствие затрат теплоты на испарение топлива и нагревание его паров до равновесной с воздухом температуры, последняя в зонах, где происходит смесеобразование, снижается, а соответственно несколько уменьшается и общее давление в начальной стадии периода задержки по сравнению с давлением сжатия воздуха, разбавленного остаточными газами, но без впрыска топлива. Затем давление начинает повышаться уже вследствие тепловыделения в предпламенных реакциях. Период задержки представляет собой как бы подготовительную фазу к процессу собственно сгорания в дизелях. Длительность этой подготовительной фазы тем меньше, чем выше давление и температура сжатия. Важное значение в сокращении периода задержки имеет мелкость распыливания, наличие в камере сгорания накаленных поверхностей, а также продолжающееся сжатие реагирующей смеси поршнем. Первые очаги воспламенения обычно возникают вблизи внешних границ факелов распыливания, сравнительно невдалеке от сопловых отверстий форсунки, там, где в первую очередь успевает образоваться топливовоздушная смесь состава, близкого к α = 1. От этих очагов пламя распространяется с высокими скоростями по периферии топливных факелов на смежные объемы также уже в достаточной мере подготовленной к воспламенению смеси. Одновременно с этим возможно возникновение новых очагов самовоспламенения в основном вблизи сильно нагретых поверхностей. Рождение таких очагов вблизи от уже возникших, а также от распространяющихся от них фронтов пламени маловероятно.

Синхронно с воспламенением и сгоранием уже подготовленной смеси в процесс горения вовлекается топливо, поступившее и продолжающее поступать через форсунку, но еще не успевшее образовать сколько-нибудь однородной паровоздушной смеси. В начальных стадиях процесса сгорания в дизелях при больших общих значениях коэффициента избытка воздуха это смешение идет достаточно быстро, так как капли топлива встречают на своем пути чистый воздух. Скорость сгорания при этом в основном определяется скоростью поступления топлива. По мере развития сгорания и расходования кислорода все большая часть топлива впрыскивается уже не в воздух, а в продукты сгорания ранее поступивших порций топлива. В связи с этим скорость испарения капель увеличивается, а скорость сгорания начинает все больше замедляться и лимитироваться скоростями диффузионного смешения паров топлива с остатками неизрасходованного кислорода.

Процесс диффузионного догорания можно значительно ускорить созданием в этот период интенсивной турбулизации заряда, что отчасти имеет место в полуразделенных камерах и в максимальной степени реализуется в разделенных камерах.

В целях достижения удовлетворительного смесеобразования при меньшем числе топливных струй, что увеличивает надежность работы форсунок и способствует уменьшению значений dp/dj, в ряде дизелей с открытыми (однополостными) камерами сгорания создается вращательное движение воздушного заряда за счет тангенциального направления патрубков впускных клапанов или впускных окон в двухтактных двигателях.

Направленные радиально топливные струи пересекают вихрь, который уносит с собой пары и мелкие капли топлива, в результате чего наиболее подготовленная к самовоспламенению смесь оказывается сосредоточенной в наружных оболочках топливных струй со стороны, противоположной набегающему воздушному потоку, где и возникают первые очаги воспламенения, как схематически показано на рис. 4.2,а. Затем пламя распространяется по поверхности топливных факелов также преимущественно с «подветренной » их стороны, там, где находится основная масса испарившегося топлива. Образующиеся продукты сгорания, в свою очередь, также сносятся воздушным потоком, т. е. около каждой из топливных струй возникают как бы фронты стационарного пламени, в которые с одной стороны, непрерывно поступает вновь образующаяся горючая смесь, а с другой вытекают продукты сгорания (как показано стрелками на рис. 4.2, б).

Но такое положение сохраняется лишь до тех пор, пока перемещающиеся совместно с вихрем сгоревшие газы не достигнут смежного топливного факела. Начиная с этого момента, продолжающие поступать из форсунки капли топлива будут встречать на своем пути уже не воздух, а горячие продукты сгорания, что приводит к резкому ухудшению полноты сгорания. Капли быстро испаряются, и пары топлива подвергаются термическому распаду в условиях сильного недостатка кислорода, сопровождающемуся обильным выделением сажи. Во избежание этого отношение угловой скорости вихря к угловой скорости коленчатого вала – так называемое вихревое отношение, не должно превышать некоторого предела.

Рис. 4.2 . Схема развития процесса сгорания при наличии тангенциального движения воздушного заряда [2]:

а – момент возникновения первичных очагов воспламенения в зонах;

б – последующее развитие сгорания по мере испарения топливных струй

Преимуществом неразделенных камер сгорания является простота конструкции, наивысшая топливная экономичность, высокая компактность элементов системы охлаждения и хорошие пусковые качества. Недостатки: жесткость работы, рассогласование форм и размеров факела распыленного топлива и камеры сгорания, вихревого отношения и частоты вращения коленчатого вала при работе на нерасчетных режимах. Рассмотрим более подробно преимущества и недостатки дизельного процесса.

4.2 Преимущества и недостатки дизельного процесса

Из приведенного  краткого анализа процессов, протекающих в различных фазах сгорания в дизелях, наглядно видна крайняя сложность происходящих явлений, включающих смесеобразование, рождение очагов самовоспламенения, охват последним смежных объемов подготовленной смеси, распространение турбулентного пламени, при одновременно продолжающемся смесеобразовании и диффузионное догорание неоднородной смеси [2].

Требования к наиболее совершенной организации процесса сгорания оказываются в значительной мере противоречивыми. Для достижения в быстроходном дизеле высокой полноты сгорания при низких значениях коэффициента избытка воздуха, необходима такая организация впрыска, которая бы обеспечивала возможно более равномерное распределение топлива по всему объему воздушного заряда, например при впрыске через форсунки с большим числом сопловых отверстий. Но при этом неизбежно одновременное возникновение значительного числа начальных очагов воспламенения и бурное его развитие, что приводит к быстрому нарастанию давления и высоким максимальным его значениям. Если стремиться к получению умеренных скоростей повышения давления, то трудно обеспечить быстрое завершение сгорания и избежать затяжного догорания в период расширения [2].

Впрыск топлива непосредственно перед сгоранием обусловливает ряд важных преимуществ дизелей перед двигателями с предварительным смесеобразованием. При этом, естественно, отпадает всякая возможность преждевременного воспламенения. В значительной мере устраняется также детонация, так как для возникновения самовоспламенения взрывного типа необходимо, чтобы предпламенные реакции развивались в условиях более или менее однородной смеси с тем, чтобы воспламенение смогло возникать одновременно в достаточных объемах. В дизелях подобные условия могут создаться при чрезмерно больших периодах задержки и одновременно высокой испаряемости топлива, например при работе на бензине. В этом случае к моменту воспламенения в камере сгорания успевают образоваться скопления значительных количеств паров топлива, достаточно хорошо смешанных с воздухом. В результате воспламенение может приобретать взрывной характер и сопровождаться возникновением ударных волн, т. е. наблюдаются явления, подобные детонации в двигателях с искровым зажиганием, но не в конце, а в начале сгорания [2].

Влияние на подобное взрывное воспламенение повышения степени сжатия, давления на впуске и теплового состояния двигателя оказывается прямо противоположным влиянию тех же факторов на детонацию в двигателях с предварительным смесеобразованием. Все, что способствует возникновению детонации в двигателях легкого топлива с искровым зажиганием, в дизелях, наоборот, устраняет возникновение ударных волн вследствие сокращения задержек воспламенения и соответственно уменьшения количества топлива, подаваемого до его воспламенения в цилиндр. Не менее существенно то, что в отличие от двигателей с искровым зажиганием, где детонация может приводить к глубоким нарушениям рабочего процесса вследствие перегрева деталей камеры сгорания, в дизелях подобная опасность полностью исключена, и эффективность рабочего процесса при наличии ударных волн может оставаться весьма высокой. Основной недостаток взрывного самовоспламенения в дизелях состоит в увеличении шумности их работы и ускорении износа деталей цилиндро-поршневой группы.

Важным преимуществом дизелей является также возможность чисто качественного регулирования мощности изменением только количества подаваемого за цикл топлива при неизменном количестве засасываемого воздуха. Получаемое при этом значительное увеличение общего коэффициента избытка воздуха не только не приводит к замедлению сгорания, но, наоборот, делает его более быстрым и полным. Это объясняется тем, что при уменьшении количества впрыскиваемого топлива все большее число капель встречает на своем пути только сжатый, нагретый воздух, а не продукты сгорания ранее поступивших порций топлива. Соответственно сокращается фаза диффузионного догорания.

То обстоятельство, что по мере уменьшения количества впрыскиваемого топлива все большая его доля сгорает в объеме камеры в удалении от стенок, способствует уменьшению теплоотдачи. Не меньшее значение имеет также снижение средней теплоемкости продуктов сгорания, благодаря чему возрастает эффективность использования выделяющейся теплоты для совершения полезной работы.

Все это приводит к тому, что в отличие от двигателей легкого топлива, индикаторный к. п. д. которых на режимах малых нагрузок снижается, в дизелях его значения, с уменьшением нагрузки увеличиваются. Соответственно экономия топлива в условиях эксплуатации автомобилей с дизелями по сравнению с расходом топлива автомобилей с бензиновыми двигателями достигает в среднем 40%, в то время как различия в минимальных удельных расходах топлива значительно меньше – лишь около 10%.

Следует, однако, отметить, что подобное улучшение полноты сгорания при работе дизелей на малых нагрузках возможно лишь в том случае, если при этом не происходит заметного удлинения задержек воспламенения. При работе двигателя на холостом ходе с малой частотой вращения мелкость распыливания обычно существенно ухудшается и одновременно снижается температура стенок камеры сгорания, что сопровождается увеличением длительности задержек. Это приводит к тому, что значительная доля капель впрыснутого топлива успевает полностью испариться к моменту воспламенения. При равномерном распределении паров топлива в камере сгорания получается однородная смесь такого состава, который уже выходит за пределы горючести, что может приводить к выбрасыванию из двигателя продуктов неполного окисления топлива, обладающих неприятным запахом. Некоторые из этих продуктов токсичны.

Одним из основных недостатков дизелей, связанных с процессом сгорания является появление черного дыма на выпуске при больших нагрузках в случае увеличения цикловой подачи топлива или, что то же – уменьшения общего коэффициента избытка воздуха ниже некоторых пределов. Это объясняется тем, что при диффузионном горении неоднородных смесей в зонах местного их переобогащения происходит образование частиц твердого углерода (сажи) при высоких температурах сгоревших газов в смежных зонах, где местные значения α близки к единице.

Одновременно с появлением дыма начинает увеличиваться удельный расход топлива вследствие возрастания неполноты сгорания. По мере дальнейшего увеличения цикловой подачи повышение мощности сначала замедляется, а затем мощность даже начинает падать. В наиболее совершенных двигателях с хорошо отрегулированной топливной аппаратурой коэффициент избытка воздуха, соответствующий пределу допустимого дымления, редко оказывается ниже α = 1,3.

Невозможность эффективного использования для сгорания всего имеющегося в цилиндре воздуха обусловливает существенно меньшую удельную мощность дизелей по сравнению с двигателями легкого топлива с искровым зажиганием, в которых горит уже в достаточной мере однородная смесь. Хотя значения p_i в дизелях удается существенно повысить (до 2,0 и более МПа) применением наддува, но при этом утяжеляется конструкция двигателя вследствие очень высоких максимальных значений р_z.

Другой недостаток дизелей связан с ограниченными возможностями повышения частоты вращения коленчатого вала не только из-за большой массы поршней и деталей кривошипно-шатунного механизма, но также в связи с особенностями в первую очередь процессов воспламенения.

Увеличение задержек отчасти удается скомпенсировать большим опережением углов начала впрыска, но лишь в сравнительно небольших пределах, так как при этом топливо впрыскивается в еще недостаточно нагретый сжатием воздух, что, в свою очередь, вызывает увеличение длительности задержек.

Наиболее эффективным средством сокращения задержек воспламенения в дизелях до предельно низкого уровня (t = 0,3 мс), определяемого в основном физическими факторами (время распада топливной струи на капли и образование некоторого количества реакционноспособной смеси), слабо зависящими от частоты вращения является наличие в камере сгорания сильно нагретых поверхностей. Практически только таким способом в сочетании с интенсивной турбулизацией заряда раньше удавалось осуществить в дизелях эффективное воспламенение и своевременное сгорание при частоте вращения коленчатого вала до 4500 об/мин.

Скорость самого сгорания при наличии надлежащим образом организованного вихревого движения воздушного заряда не является лимитирующим фактором. Еще один существенный недостаток дизелей – жесткость и шумность их работы, связанная с высокими скоростями повышения давления в начале основной фазы сгорания. В дизелях с открытыми камерами и струйным смесеобразованием максимальные значения dp/dj достигают 1,2 — 1,5 МПа/градус против 0,15 — 0,2 МПа/градус в бензиновых двигателях с искровым зажиганием. Хотя в дизелях именно такого типа достигаются наименьшие удельные расходы топлива (до 224 г/кВтч), а в судовых дизелях с цилиндрами большой размерности – до 203 г/кВтч, но создаваемый ими шум превышает допустимые нормы. В связи с этим усилия большого числа исследователей и конструкторов уже с давних пор были направлены на изыскание таких способов организации процессов смесеобразования и сгорания, которые позволили бы снизить значения р_z и dp/dj, что привело к созданию очень большого числа различных вариантов дизелей с полуразделенными и разделенными камерами сгорания [2].

4.3 Особенности сгорания в дизелях с разделенными камерами

Мягкую работу дизелей с плавным нарастанием давления в цилиндрах и умеренными значениями р_z при работе на всех скоростных и нагрузочных режимах удается получить при впрыскивании топлива в особую камеру, отделенную от полости цилиндра одним или несколькими каналами относительно небольшого сечения. Таким путем можно обеспечить благоприятные условия для развития как начальных, так и завершающих фаз процесса сгорания [2].

Энергия перетекания воздуха из цилиндра в дополнительную камеру на такте сжатия обеспечивает в ней хорошие условия смесеобразования в начальных стадиях процесса. Истечение же с высокой скоростью частично сгоревших и горящих газов из дополнительной камеры в полость цилиндра способствует быстрому завершению сгорания. Как правило, дополнительные камеры снабжаются горячими вставками с затрудненным теплоотводом в рубашку цилиндра. Температура этих вставок при работе двигателя на полных нагрузках может достигать 600 – 750 °С, что способствует быстрому испарению топлива и сокращению задержек воспламенения. В вихрекамерных и предкамерных дизелях достигаются наименьшие значения t = 0,3 — 0,4 мс, что крайне важно при работе двига­телей на высоких скоростных режимах.

Все вместе взятое позволяет применять в двигателях более простые и надежные, не склонные к закоксовыванию штифтовые форсунки с одним сопловым отверстием относительно большого диаметра, а также использовать пониженные давления впрыска, что снижает требования к топливной аппаратуре. Одновременно также снижаются требования к испаряемости и цетановому числу топлива. Известно большое число решений позволяющих получить многотопливные варианты подобных типов дизелей.

Конструкции разделенных камер могут быть весьма разнообразными. В свое время (20-е и 30-е годы) отдельными авторами и фирмами было опробовано очень большое число самых разных вариантов подобных камер, включая и ряд несколько иных решений, таких, как камеры с воздушными аккумуляторами, акро-камеры и др.

В дальнейшем положение несколько стабилизировалось и в основном используются два типа предкамер: относительно небольшого объема (20 — 30% общего объема камеры сжатия) с узкими сопловыми отверстиями, создающими значительные перепады давления между предкамерой и цилиндром, и так называемые вихревые камеры большего объема (до 60% всего пространства сжатия), но с меньшими перепадами давления. В первом случае улучшение смесеобразования в предкамере достигается в основном за счет создания в ней интенсивной беспорядочной турбулентности. Во втором случае движению воздуха сообщается определенным образом организованный вихревой характер, согласованный с направлением струи впрыскиваемого топлива. Примеры наиболее типичных конструкций предкамеры и вихревой камеры схематически показаны на рис. 4.1.

Предкамеры с основной частью камеры соединяют одним или несколькими (до восьми) каналами, что при относительно больших скоростях втекания (до 320 метров в секунду) воздуха и малых размерах предкамер создает в них интенсивные беспорядочные вихри, разрушающие факел и перемешивающие топливо с воздухом. При высоких степенях сжатия (e = 19 ¸ 22) и наличии горячей вставки это позволяет снизить начальное давление впрыска до 7.8-12.3 МПа, а a до 1.2. Суммарное сечение соединительных каналов равно 0.3 — 1.0% площади поршня, что обеспечивает максимальную разность давлений в конце сжатия в предкамере и в надпоршневом пространстве равную 0. 3 — 0.5 МПа. Предкамеры применяют в дизелях с D£ 350мм.

В предкамерах малого объема с высокой скоростью сгорает лишь относительно небольшая часть топлива от всего количества, подаваемого на полных нагрузках, и хотя давление в предкамере при этом повышается весьма быстро и достигает высоких значений, это не вызывает жесткой работы двигателя вследствие дросселирования газов в сопловых отверстиях и относительно медленного догорания их в основной камере. Скоростями сгорания можно управлять в широких пределах, выбирая соответствующее число сопловых отверстий предкамеры, их диаметр и направление. При этом достигаются желаемые скорости смешения выбрасываемых из предкамеры продуктов неполного сгорания с воздушным зарядом основной камеры.

Высокие скорости истечения, соответствующие большим перепадам давления между предкамерой и цилиндром, приводят к значительным гидравлическим потерям и увеличенной отдаче тепла в стенки камеры и днище поршня. Также сильно затягивается, охватывая значительную часть такта расширения, процесс догорания остающейся в предкамере сильно обогащенной смеси по мере ее вытекания в цилиндр. В результате всего этого двигатели с предкамерами отличаются относительно низкой топливной экономичностью. Значения dp/dj не превышают (0,25 – 0,3)МПа/градус при р_z = 6 – 6,5 МПа.

Благодаря тангенциальному направлению воздушного потока в вихревых камерах удается достигнуть хорошего смесеобразования при значительно меньших перепадах давления. Соответственно также значительно ниже и скорости вытекания в цилиндр продуктов сгорания из вихревой камеры, но это компенсируется большей их массой. Кроме того, само переобогащение смеси в вихревой камере оказывается не таким значительным – даже на максимальных нагрузках состав смеси, отнесенный ко всему поданному топливу и лишь к воздуху, находящемуся в вихревой камере, отвечает значениям a = 0,7. Благодаря этому пределы общего возможного обогащения смеси в вихрекамерных дизелях, отвечающие началу дымления, отвечают значениям a = 1,15 — 1,4. Суммарная площадь соединяющих отверстий – 0,8 — 2,7% площади поршня, что позволяет получать скорости втекания до 200 м/с и вихревое отношение Н = 20¸40. Начальное давление впрыска не более 12 — 15 МПа. Однако вследствие большого перепада давлений к концу процесса сжатия (p_в/p_c=0.92¸0.97) и увеличенной поверхности теплоотдачи степень сжатия приходится выбирать не менее 17. Вихревые применяют в дизелях с D£ 150мм.

Специально проведенными исследованиями было показано, что наилучшие результаты достигаются при использовании вихревой камеры с соединительным каналом, расширяющимся в сторону полости цилиндра с углом раствора 20 — 25°. Это объясняется тем, что при втекании воздуха из цилиндра через суживающийся канал, струя получается компактной, слабо турбулизированной, что обеспечивает создание в дополнительной камере организованного вихря и способствует сокращению задержки воспламенения. При истечении же горящих газов из вихревой камеры в цилиндр через расширяющееся сопло турбулизация потока резко усиливается, что способствует более быстрому завершению процесса диффузионного догорания.

Следует отметить, что в удачно выполненных конструкциях вихрекамерных дизелей с каналами именно такой формы, минимальные удельные расходы топлива достигают 238 г/кВтч, а значения dp/dj не превышают 0,3 – 0,35 МПа/градус при p_{z= 0,65-0,7 МПа.}

Основным недостатком двигателей с разделенными камерами сгорания является низкая экономичность, которая сравнима с экономичностью современных бензиновых двигателей. Недостатком также является трудность пуска холодного двигателя вследствие усиленной теплоотдачи в процессе перетекания воздуха в дополнительную полость, где должно возникнуть воспламенение. Выходом является применение специальных свечей накаливания в виде нагреваемых электрическим током спиралей  (см. рис. 4.1, е), что в условиях эксплуатации не всегда удобно.

Кроме того, усложняется конструкция головок цилиндров, причем наличие в них отверстий, в которых размещаются сильно нагретые вставки, нередко приводит к образованию трещин.

В то же время именно дизели с разделенными камерами были в свое время одними из наиболее пригодных для использования на легковых автомобилях вместо бензиновых двигателей, почти не уступая последним по скоростным и весовым показателям и обладая лишь не намного большей жесткостью работы. Весьма существенно то, что в вихрекамерных и предкамерных дизелях благодаря .наличию поршней с плоскими днищами и относительно невысоким значением р_z масса деталей кривошипно-шатунного механизма может быть примерно такой же, как в двигателях легкого топлива с высокой степенью сжатия. В ряде современных вихрекамерных дизелей максимальная частота вращения достигает 4500 об/мин. Дополнительным преимуществом вихрекамерных дизелей является существенно меньшее содержание в отработавших газах оксидов азота.

4.4 Различные способы организации смесеобразования и сгорания в дизелях с полуразделенными камерами

Стремление улучшить процессы смесеобразования и сгорания и уменьшить недостатки разделенных камер сгорания привело к созданию так называемых полуразделенных камер сгорания [2].

Как уже отмечалось, к полуразделенным камерам относятся такие, в которых основная камера, куда впрыскивается топливо и где развиваются первая и в значительной мере вторая фазы сгорания, выполняется в виде той или иной формы углубления в днище поршня, диаметр которого существенно меньше, чем диаметр цилиндра (см. рис. 4.1, в, г). Сходные по своим очертаниям камеры сгорания иногда размещаются в головке цилиндра, а днище поршня выполняется плоским.

Быстрое увеличение в начале такта расширения объема заполненной воздухом кольцевой полости окружающего камеру сгорания вытеснителя, в которую как бы засасываются не полностью сгоревшие газы из основной камеры, способствует ускоренному развитию процесса диффузионного горения. Это проявляется в том, что в дизелях с такими камерами обычно наблюдается еще один максимум скорости тепловыделения в конце второй фазы горения (рис. 4.3).

Немаловажное отличие процесса сгорания в полуразделенных камерах состоит в том, что вследствие их относительно малого диаметра некоторая часть впрыскиваемого топлива достигает стенок, растекаясь по ним в виде жидкой пленки, с поверхности которой происходит дальнейшее испарение топлива частично за счет теплоты, подводимой от стенки, частично – от омывающих поверхность пленки горячих газов. По мере увеличения нагрузки двигателя, а соответственно – количества подаваемого топлива за счет большей длительности впрыска, относительное значение подобного пленочного смесеобразования возрастает.

Рис. 4.3. Типичный характер изменения скорости активного тепловыделения в дизеле с полуразделенной камерой сгорания [2]

Пленочное смесеобразование имеет ряд преимуществ перед объемным с точки зрения уменьшения сажеобразования благодаря тому, что горючая смесь здесь образуется в процессе смешения паров топлива с омывающим стенки воздухом, в результате чего зона пламени локализуется на некотором расстоянии от стенки, там, где состав смеси оказывается близким к α = 0,9. Здесь также известно большое количество многотопливных вариантов базовых двигателей.

М-процесс. Радикальное решение проблемы «смягчения » сгорания в дизелях при сохранении высокой топливной экономичности (на уровне дизелей с открытыми камерами) и снижения дымности отработавших газов достигнуто при использовании преимущественно пленочного смесеобразования, получившего название «М-процесс » [2].

Сущность М-процесса сводится к тому, что топливо впрыскивается форсункой с одним сопловым отверстием, ось которого направлена под малым углом к стенке камеры сгорания сферической формы, выполненной в поршне, в которой создается интенсивное вращательное движение воздушного заряда (рис. 4.4).

Рис. 4.4 Схема камеры сгорания и организации впрыска и движения воздуха в двигателе с М-процессом [2]:

1 – топливная струя; 2 – направление воздушных потоков

Необходимо при этом обеспечить равномерное растекание топлива по стенкам камеры и образование на них очень тонкой жидкой пленки, а около стенки организовать движение так, чтобы был интенсивный отвод паров топлива от пленки, но пленка не разрушалась бы. Это оказалось возможным при вихре, направленном вдоль факела топлива с относительной скоростью движения около стенки примерно 10 – 15 м/с.

Начальный очаг воспламенения возникает в объеме камеры за счет попадания в него лишь относительно небольшой части капель, отражающихся от стенки. Первоначально для этого применяли форсунку с двумя сопловыми отверстиями различного диаметра, через меньшее из которых около 5% топлива впрыскивалось в центральную часть камеры. Но опыты показали, что такие же результаты достигаются и при наличии лишь одного отверстия, направленного к стенке под углом около 15°. Температура стенки в выполненных конструкциях поддерживается Т_{ст= 620¸725К.}

В связи с тем, что количество топлива, испаряющегося в объеме камеры в течение периода задержки воспламенения, мало, соответственно невелико и понижение температуры в начальных очагах смесеобразования, чем достигается сокращение задержек. Дальнейшее испарение топлива происходит постепенно с поверхности пленки уже в период сгорания, в основном за счет теплоты, передаваемой от горячих газов.

Сгорание в дизелях с М-процессом протекает очень «мягко » – достигаются примерно такие же значения dp/dj, как в двигателях с искровым зажиганием. И вместе с тем сгорание оказывается достаточно полным и бездымным, пределы возможного обогащения смеси, соответствующие началу дымления, здесь больше, чем в дизелях других типов, отвечают значениям a = 1,15 — 1,2, а минимальные удельные расходы топлива достигают 225 г/ кВтч.

Дополнительным преимуществом М-процесса является возможность использования топлив, сильно различающихся как по испаряемости, так и по воспламеняемости – от обычных дизельных до автомобильных бензинов с октановыми числами до 70 — 72. При этом согласно результатам ряда проведенных испытаний экономичность двигателей с М-процессом при работе на бензине оказывается несколько лучшей, чем при работе на дизельном топливе, хотя значения р_z и dp/dj при работе двигателя на бензине больше. Следует обратить внимание на то, что при работе на всех топливах по мере увеличения частоты вращения значения р_z и dp/dj существенно возрастают, например, от 7 МПа и 0,2 МПа/градус при п= 900 об/мин до соответственно 10 МПа и 0,45 МПа/градус при п = 1800 об/мин.

В случае использования топлив с лучшей испаряемостью, а также при увеличении с ростом частоты вращения скорости вихревого движения воздушного заряда и интенсивности его турбулизации возрастает значение объемного смесеобразования и уменьшается – пленочного.

В дизелях с М-процессом длительности, как первой, так и второй фаз сгорания с ростом частоты вращения не только не увеличиваются, а, наоборот, сокращаются. Объяснить это можно тем, что скорости диффузионного сгорания, определяемые интенсивностью процессов переносов тепла и вещества в зонах пламени, возрастают не только вследствие увеличения самой скорости вихря, но одновременно также за счет возрастания интенсивности турбулентности, причем в первую очередь в пристеночных слоях. Именно благодаря этому в случае пленочного или пристеночного смесеобразования удается обеспечить достаточно быстрое и полное сгорание при частоте вращения коленчатого вала до 3000 об/мин и выше.

К недостаткам М-процесса относятся затрудненный пуск холодного двигателя, так как попадающее на еще не нагретые стенки топливо испаряется с трудом – необходим сильный подогрев засасываемого воздуха, неполное сгорание осевшего на стенках топлива при пониженных температурах рабочего цикла, а соответственно и стенок камеры сгорания.

Следует отметить, что идея пленочного смесеобразования оказалась в резком противоречии с существовавшими ранее представлениями о нежелательности попадания впрыскиваемого топлива на стенки, так как это приводит к отложениям на них кокса, но это справедливо лишь в том случае, когда отсутствует интенсивное смывание стенок воздушным потоком. Высокую полноту сгорания и пониженную склонность к дымлению (сажеобразованию) в случае М-процесса можно объяснить тем, что здесь сводится к минимуму попадание топлива в продукты сгорания с высокой температурой, где капли быстро испаряются, и пары топлива, подвергаясь крекингу без доступа воздуха, образуют сажу. При пленочном смесеобразовании основная масса топлива растекается по стенке камеры сгорания и в основном горят лишь его пары при их смешении с омывающим стенку потоком воздуха. При этом вследствие интенсивного вращательного движения газов в камере происходит как бы их сепарация – образующиеся горячие продукты с меньшей плотностью скопляются в центральной части камеры, а остающийся воздух оттесняется к стенкам, где смешивается с парами топлива, снова образуя горючую смесь.

Процесс Пишингера. Несколько иным путем решена задача предотвращения чрезмерно быстрого повышения давления в начальной фазе сгорания Пишингером, реализованная в 70-е годы в двигателях фирмы Дейтц [2]. Идея сводится к тому, чтобы направлением двух топливных струй параллельно стенкам особой формы наклонной цилиндрической камеры сгорания в поршне, в которой создается интенсивный воздушный вихрь с окружной скоростью до 90 м/с, осуществить расслоение заряда, локализовав так же, как в М-процессе, смесеобразование и сгорание в основном в пристеночном слое.

Рис. 4.5. Устройство камеры сгорания двигателя Дейтц [2]:

1 – форсунка; 2 и 3 – оси топливных струй;

4 – направление воздушного вихря; 5 – пары топлива

Как показано на рис. 4.5, капли и пары топлива под действием центробежных сил, создаваемых воздушным вихрем, движутся в основном в пристеночном слое, где образуется сильно переобогащенная относительно холодная смесь, неспособная к самовоспламенению. Последнее возникает в некотором удалении от стенок в зонах, где a = 1, но количество такой, подготовленной к воспламенению топливовоздушной смеси, даже при довольно длительных задержках оказывается относительно небольшим, в связи с чем горение развивается плавно. В него постепенно вовлекается основная масса переобогащенной смеси по мере ее смешения с воздухом, сосредоточенным в центральной части камеры сгорания, чему помогает эффект центрифугирования, т. е. имеет место явление, сходное с М-процессом. Горячие газы, образующиеся при сгорании, движутся к центру камеры, а более холодный воздух – к ее периферии, где встречается с парами топлива, которые сгорают без образования сажи, давая плавную кривую нарастания давления при низких значениях удельного расхода топлива.

Когда обнаружились недостатки пленочного смесеобразования, начали организовывать объемно-пленочное смесеобразование, при котором на стенку подается 40-60% топлива и используются вихри вытеснения и тангенциальные составляющие вращательного движения заряда. Остальное топливо должно подаваться в объем камеры сгорания. В дизелях иностранного производства, как правило, применялась закрутка на впуске, в отечественных дизелях – вихри вытеснения. Было разработано большое количество камер сгорания, сам процесс рассмотрим на примере камеры сгорания ЦНИДИ (см. рис. 4.1, г).

Камера сгорания ЦНИДИ. Преимущество этой камеры состоит в том, что здесь не требуется создания в цилиндре вращательного движения воздушного заряда [2]. Интенсивный тороидальный вихрь образуется в полости камеры при втекании в нее воздуха из цилиндра в такте сжатия (рис.4.6, а).

Несколько радиальных струй топлива (обычно четыре) направлены под малым углом к внутренней конической поверхности камеры и образуют на ней пленку. Одновременно часть наиболее мелких капель увлекается к центру камеры потоками воздуха, вытесняемого в конце такта сжатия из кольцевого зазора между нижней плоскостью головки и днищем поршня. Испаряясь, эта часть топлива создает очаги воспламенения. Опыты показали, что наилучшие результаты дает такое направление топливных струй в вертикальной плоскости, при котором в начальный период впрыска, когда поршень еще не дошел до ВМТ, некоторая часть капель проникает в зазор навстречу вытесняемому из него потоку воздуха.

Возникшее в такте сжатия тороидальное движение воздуха продолжает сохраняться и при нисходящем ходе поршня, в результате чего коническая поверхность стенок камеры с находящейся на них топливной пленкой омывается восходящими газовыми потоками (рис. 4.6, б).

Рис. 4.6. Особенности движе­ния газовых потоков в камере сгорания ЦНИДИ [2]: а – в конце такта сжатия; б – в начале такта расширения

Основной недостаток камеры ЦНИДИ – перегрев острых кромок ее горловины, приводящий к появлению на них трещин при работе двигателей на форсированных режимах, в частности, при использовании наддува.

Жесткость процесса сгорания в случае полуразделенных камер несколько меньше, чем при объемно-струйном смесеобразовании, хотя довольно высока. Максимальные значения скорости нарастания давления в начале первой фазы сгорания при работе на хорошем дизельном топливе обычно составляют 0,8 — 1,0 МПа/градус. Пределы возможного общего обогащения смеси, отвечающего допустимому уровню дымления несколько больше, чем в случае открытых камер (α = 1,3 — 1,35).

Следует отметить, что тщательным подбором оптимальных характеристик впрыска, направлением топливных струй и очертанием внутренней поверхности камер в поршне удается заметно снизить жесткость сгорания и улучшить его полноту. К сожалению, уже небольшие неточности в изготовлении форсунок, а также появление вблизи сопловых отверстий отложений кокса, изменяющих направление топливных струй, могут существенным образом ухудшать характеристики сгорания, в частности увеличивать дымность отработавших газов.

4.5 Принудительное воспламенение

Разрешение проблемы воспламенения в дизеле в оптимальный момент по фазе цикла, при работе на топливах с низкими цетановыми числами и низких степенях сжатия, дает применение искрового зажигания. Специалисты технического центра двигателей фирмы Komatsu (Япония) и Юго-Западного исследовательского института США провели исследование работы дизеля с неразделенной КС и свечей зажигания для определения требований нормальной работы и надежного пуска такого дизеля к степени сжатия, взаимному расположению форсунки и свечи зажигания, а также чувствительности его к типу топлива. При этом использовалась специальная система зажигания с рядом последовательных искр.

Эксперименты с низкими цетановыми числами (вплоть до метанола) проводились при степени сжатия e=16. Информации о применении в данном случае более низких степеней сжатия нет.

Рис. 4.7. Относительное расположение свечи зажигания и струй топлива в двигателе Komatsu

При экспериментах на дизельном топливе исследовалось несколько значений степени сжатия (9,5, 11,5, 12,76 и 16). При e£ 12,76 двигатель без применения искрового разряда не пускался, в то время как при e = 16 наличие или отсутствие искрового разряда никак не влияло на пуск дизеля. Авторы рекомендовали для дизелей с искровым зажиганием степень сжатия равную » 12. Угловая длительность искрового разряда составила 40 град. п.к.в.

Авторы описывают процесс следующим образом. «На ранней стадии процесса сгорания заряда горение, обеспечивающееся свечой зажигания в районе боковой поверхности одной из струй впрыснутого топлива, не должен влиять на воспламенение смеси в районе других факелов топлива. Позже, на второй стадии горения, остаток впрыснутого топлива под влиянием повышения температуры, вызванного сгоранием факела топлива, находящегося в зоне искрового зазора свечи зажигания, образует способную к воспламенению горючую смесь, сгорающую с мягким, далеким от детонации, повышением давления. Заметного перехода между первой и второй фазой горения обнаружено не было » .

При использовании высокооктановых топлив для самовоспламенения «остатков » впрыснутого топлива требуется более высокая степень сжатия, что и определило, по всей видимости, использование в многотопливном варианте степени сжатия равной 16. Иначе, на низких нагрузках и в режиме холостого хода возможен выброс значительных количеств углеводородов, связанных с недогоранием части заряда «отделенной » от заряда, воспламененного искрой, объемом воздуха.

Пониженные степени сжатия предъявляют к распылу более жесткие требования. При снижении степени сжатия, в наблюдалась повышенная дымность отработавших газов. Авторы указывают на необходимость изменения характеристик распыла, однако никаких действий в этом плане предпринято не было. Дальнейших публикаций на эту тему не обнаружено.

Похожий рабочий процесс применен и в работах фирмы KHD (Дейтц). Вместо свечи зажигания используется калильная свеча, расположенная рядом с форсункой. Испытания проходили при двух вариантах степени сжатия: 17,4; 13,9. Расход топлива снижался при более низкой степени сжатия, однако, при этом, наблюдался повышенный выброс СН.

В дизелях фирмы MAN с М-процессом используется особая свеча с удлиненными электродами, установленная в противоположном от форсунки конце сферической камеры сгорания в поршне, как показано на рис. 4.8 [2]. При этом для направления на свечу потока образующейся при испарении топливной пленки смеси в стенке камеры выфрезерована канавка. Однако двигатели с таким способом воспламенения, которому присвоено название FM-процесс, широкого распространения не получили. По-видимому, это связано с трудностями в обеспечении оптимального момента воспламенения в широком диапазоне изменения скоростных и нагрузочных режимов, так как путь, который должны пройти пары топлива, двигаясь вдоль стенки от момента начала впрыска до искрового промежутка свечи, оказывается довольно большим.

Рис. 4.8. Размещение свечи зажигания в камере сгорания

двигателя с FМ-процессом [2]

Искровое зажигание с рядом последовательных искр применяется и в серийных многотопливных дизелях с пристеночным смесеобразованием фирмы Дейтц, однако только в качестве вспомогательного источника и при высоких степенях сжатия [2]. С целью увеличения срока службы свечи, определяемого эрозией электродов, принудительное зажигание используется лишь тогда, когда это действительно необходимо. При работе двигателя на дизельном топливе и больших нагрузках она автоматически отключается. Как показано на рис. 4.9, свеча особой конструкции установлена в непосредственной близости от форсунки, причем искровой промежуток защищен от прямого попадания на него капель жидкого топлива цилиндрическим кожухом с двумя диаметрально противоположными окошками. Благодаря высокой температуре этого кожуха, донышко которого служит заземленным электродом, падающие на его наружную поверхность капли испаряются, пары топлива смешиваются с омывающим кожух воздушным вихрем, и проникающая во внутреннюю полость свечи горючая смесь воспламеняется искрой. При этом используется специальная система зажигания повышенной мощности с рядом последовательных искр. С целью увеличения срока службы свечи, определяемого эрозией электродов, принудительно зажигание используется лишь тогда, когда это действительно необходимо. При работе двигателя на дизельном топливе и больших нагрузках она автоматически отключается – соответствующий выключатель связан с рейкой топливного насоса. В связи с тем, что при переходе от работы на дизельном топливе к работе на бензине требуется увеличение активного хода плунжера (вследствие меньшей удельной массы бензина и увеличенных утечек через зазор между плунжером и втулкой топливного насоса), одновременно с включением электрозажигания автоматически происходит перестановка ограничителей хода рейки насоса.

Рис. 4.9. Камера сгорания дизеля Deutz [2]:

а) размещение свечи зажигания; б) и в) устройство свечи зажигания;

1 – форсунка; 2 – свеча; 3 – изолятор; 4 – электрод

Подобное использование электрического зажигания в дизеле лишь как вспомогательного средства для обеспечения оптимального момента воспламенения впрыскиваемого топлива независимо от его цетанового числа при сохранении неизменными всех особенностей процессов смесеобразования и сгорания приводит к тому, что как мощностные, так и экономические показатели двигателя остаются практически одинаковыми как при работе на дизельных топливах, так и при работе на бензинах различных сортов. Этому в значительной мере способствует наличие пристеночного смесеобразования, при котором скорость сгорания в основном определяется взаимной диффузией паров топлива и воздуха.

Как видно, искровое зажигание является действенным средством снижения степени сжатия в дизелях. Однако необходимость использования серии последовательных искр, значительно снижающих срок службы свечи и вызывающей неопределенность момента воспламенения, а также повышенное дымление до настоящего времени сдерживает развитие подобного типа двигателей.

4.6 Многократный впрыск топлива.

Сокращение периода задержки воспламенения дает такая организация процессов смесеобразования и сгорания, когда для воспламенения отводится лишь небольшая часть цикловой дозы топлива. При этом снижается количество теплоты, затрачиваемой на нагрев, испарение жидкой фазы топлива и перегрев его паров, вследствие чего уменьшается охлаждение реагирующей смеси. Одним из способов реализации данного направления является организация рабочего процесса с многократным впрыском топлива. Топливо в этих системах подается не непрерывно, а порциями, что, наряду с сокращением задержки воспламенения, позволяет регулировать динамику сгорания за счет изменения закона подачи топлива. Такая организация топливоподачи дополнительно позволяет снизить зависимость процесса сгорания от температурного состояния двигателя, режима его работы и физических свойств топлива, которая характерна для рабочего процесса с пленочным смесеобразованием.

Сочетание такой системы топливоподачи и неразделенных камер сгорания позволяют получить одновременно высокую топливную экономичность, управляемое, определяемое законом подачи топлива, сгорание, улучшить пусковые характеристики и повысить верхний предел частоты вращения. В комбинации с наддувом дизели с таким рабочим процессом приблизились по удельной мощности к бензиновым двигателям.

Ключевую роль в данном процессе играет система топливоподачи. На сегодняшний день внедрены в серийное производство две основные системы впрыска высокого давления, обеспечивающие данный рабочий процесс. Концепция первого типа, так называемого «Common—Rail » , представлена на рис.4.10. Здесь, создание давления и процесс впрыска разделены. Это дает большую гибкость в изменении характеристик впрыска и смесеобразования. Топливо под высоким давлением хранится внутри рампы, которая обычно изготавливается из толстостенной трубы. ТНВД постоянно поддерживает давление в рампе. Датчик регулирует необходимое давление с помощью дополнительного клапана, который регулирует поток избыточного топлива обратно в топливный бак. Таким образом, давление в рампе не зависит от числа оборотов двигателя, и могут быть достигнуты оптимальные характеристики двигателя. Рампу с форсунками соединяют короткие трубки.

Рис. 4.10. Система впрыска Common Rail [7]

Объем рампы достаточно большой, чтобы снизить влияние колебаний давления на впрыск. Момент и продолжительность впрыска контролируются э/м клапаном форсунки и не зависят от давления. Таким образом, система впрыска CR способна поддерживать давление впрыска на требуемом уровне и выполнять предварительный впрыск (для снижения шума, жесткости сгорания, оксидов азота, увеличения частоты вращения, улучшения пусковых характеристик), основной впрыск, заключительный впрыск (для сокращения выбросов сажи, обогрева катализаторов). Все это с переменными моментом и продолжительностью впрыска, которые соответствуют требованиям конкретного режима работы двигателя.

На рис. 4.11 изображена типичная форсунка системы Common—Rail. Движение иглы управляется электромагнитным клапаном. На рисунке игла закрыта. Сумма сил действующих от пружины F_пр и F₁давления топлива в верхней части стержня управления (мультипликатора давления) больше, чем силы F₂, действующей на дифференциальную площадку иглы в закрытом положении. Как только электромагнитный клапан открывается, давление в управляющей камере уменьшается, и игла начинает открываться. Излишки топлива поступают обратно в топливный бак. Процесс закрытия инициируется закрытием электромагнитного клапана. Давление в камере управления увеличивается, и стержень управления закрывает иглу. Скорости открытия и закрытия определяются площадью дросселей (жиклеров).

Второй основной тип систем впрыска топлива высокого давления — топливная система неразделенного типа (или насос-форсунки), в которой процессы генерации давления и впрыск происходят синхронно (рис. 4.12). Насос-форсунки приводятся распределительным валом. Отсутствие труб высокого давления между насосом и форсункой позволяет значительно увеличить максимальное давления впрыска (около 200 МПа и больше). Форма кулачка определяет движение плунжера и, таким образом создает давление в зависимости угла кривошипа. Пружина в верхней части форсунки возвращает поршень в исходное положение.

На рис. 4.13, показана упрощенная схема насос-форсунки с закрытым распылителем. Несмотря на движение плунжера вниз впрыск не происходит до тех пор пока открыт электромагнитный клапан и топливо вытекает в сливную магистраль. В зависимости от требуемого начала впрыска, блок управления двигателя, закрывает клапан, и плунжер сжимает топливо. Как только усилие от давления становится достаточным, чтобы превысить усилие пружины, начинается впрыск. В связи с большой скоростью движения плунжера возникает треугольный профиль расхода, рис. 4.14. В отличие от системы CR, в которой максимальное давление впрыска присутствует уже в начале (что приводит к прямоугольной форме профиля), качество распыливания в начале впрыска значительно хуже.

Рис. 4.11. Типичная форсунка Common Rail [7]

В конце впрыска, электромагнитный клапан открывается, топливо подается в сливную магистраль, давление впрыска снижается, игла закрывается. При движении плунжера вверх подплунжерная полость заполняется. Движение плунжера непосредственно связано с двигателем, максимальное давление впрыска увеличивается с частотой вращения двигателя. Кроме того, высокое давление доступно не при любом угле поворота коленвала, что затрудняет осуществление пред- и поствпрыска. Очевидно, что из-за прерывистого изменения давления, зависимого от формы кулачка, гибкость системы впрыска, имеет гораздо более ограниченный характер по сравнению с системой CR. Недостаточное качество распыливания из-за низкого давления вызывает проблемы в случае применения предвпрыска. Тем не менее, значительным преимуществом этих систем являются высокие максимальные давления впрыска, которые не могут быть обеспечены системой CR.

Рис. 4.12. Насос-форсунка [7]

Рис. 4.13. Схема насос-форсунки [7]

Рис. 4.14. Типичные профили изменения расхода в системе Common Rail и насос-форсунке [7]

Таким образом, описанные технологии многократного впрыска позволяют уменьшить скорость нарастания давления в камере сгорания и, соответственно, уменьшить шум, создаваемый в процессе сгорания. Малые дозы предварительного впрыскивания позволяют также снизить задержку воспламенения за счет меньшего снижения температуры в процессе испарения, увеличить УОВТ. Это позволяет увеличить частоту вращения двигателя и снизить нагрузку на элементы двигателя, что соответственно наряду с применением турбонаддува позволяет приблизить дизель по удельной мощности к бензиновому двигателю.

4.7 Газодизели.

Сущность процесса заключается в том, что находящаяся в цилиндре газовоздушная смесь, состав и способ образования которой может быть различным, сжимается до температуры ниже, чем температура ее самовоспламенения, но выше температуры самовоспламенения жидкого топлива. В сжатую смесь дизельной топливной аппаратурой подается небольшое количество запального жидкого топлива, которое самовоспламеняется и поджигает газовоздушную смесь одновременно во многих точках. Общее количество тепла, выделяющегося на участке видимого сгорания при дизельном и газодизельном процессе примерно одинаково (при одинаковом составе смеси), но на газодизельном процессе количество тепла выделяющееся на участке V = const больше, а на участке P=const меньше, чем при дизельном процессе, а, следовательно, выше экономичность. При работе на номинальной мощности оптимальный коэффициент избытка воздуха в процессе сжатия   лежит в пределах 1,8 – 2,4. Общий коэффициент при этом α = 1.6 — 2.0 при доле тепла вносимой жидким топливом q = 0,15. Дальнейшему обогащению смеси препятствует удлинение задержек воспламенения вследствие недостатка кислорода. Благодаря этому ухудшаются показатели двигателя, а в отработавших газах появляется значительное количество несгоревших углеводородов, количество которых и так достаточно много (особенно на частичных режимах). При использовании сжиженного (пропан, бутан) и попутного газа, где много тяжелых углеводородов, к вышеуказанному препятствию добавляется возможность самовоспламенения газа.

Вопросы для самоконтроля

1. Преимущества и недостатки дизельных ДВС.

2. Причины отсутствия детонации в дизельных ДВС. Какие мероприятия необходимо предпринять, чтобы осуществить детонационное сгорание?

3. Причины возможности реализации высоких коэффициентов избытка воздуха и сложности реализации низких коэффициентов избытка воздуха в дизельных двигателях.

4. Причины сложности повышения верхнего предела частоты вращения в дизельных ДВС.

5. Способы снижения «жесткости » сгорания в дизельных двигателях.

Лекция «Проблемы персонала информационных систем» также может быть Вам полезна.

6. Способы повышения верхнего предела частоты вращения в дизельных ДВС.

7. Способы снижения нижнего предела коэффициента избытка воздуха в дизельных ДВС.

8. Сопоставьте преимущества и недостатки систем впрыска с насос-форсункой и Common Rail.

9. Преимущества и недостатки дизельных ДВС с неразделенными камерами сгорания.

10. Преимущества и недостатки дизельных ДВС с разделенными камерами сгорания.

11.  Преимущества и недостатки дизельных ДВС с полуразделенными камерами сгорания.

404 Not Found

404 Not Found

Версия для слабовидящих

Формирование и смешивание распыления дизельного топлива

Формирование и смешивание распыления дизельного топлива

Ханну Яаскеляйнен, Магди К. Хайр

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Реферат : Приготовление смеси при сгорании дизельного топлива начинается с образования брызг после выхода топлива из форсунки. Топливная струя распыляется на капли, испаряется и смешивается с воздухом. Процесс проникновения топливной струи и образования капель можно описать моделями проникновения струи. В фазе контролируемого смешивания сгорание дизельного топлива происходит с поднятым пламенем, состоящим из диффузионного пламени на периферии топливной струи и богатой предварительно перемешанной реакционной зоны, которая существует ниже по потоку от длины отрыва в активной зоне. Смешение топлива и воздуха в цилиндре может быть дополнительно улучшено за счет мер ниже или выше по потоку от длины отрыва.

• Спрей
• Взрыв пламени
• Улучшение смешивания в цилиндрах
• Карты φ-T

Распыление топлива

Первым этапом в процессе смесеобразования в обычном дизельном двигателе сгорания с регулируемым смешиванием является формирование распыла. На рис. 1 показана струя, образованная впрыскиванием топлива из одного отверстия в стоячий воздух [531] . Выйдя из отверстия сопла, струя становится полностью турбулентной на очень небольшом расстоянии от точки выброса и смешивается с окружающим воздухом. Этот вовлеченный воздух уносится струей и увеличивает массовый расход в направлении x и заставляет струю распространяться в направлении y. К уменьшению скорости струи приводят два фактора: сохранение импульса при втягивании воздуха в струю и сопротивление трения капель жидкости. На рис. 1 показано распределение скорости в двух поперечных сечениях. Скорость топлива максимальна на осевой линии и снижается до нуля на границе раздела зоны дезинтеграции (или конической оболочки факела) с окружающим воздухом.

Рисунок 1 . Схема распыления из одноотверстной форсунки

Первичное распыление. Вблизи сопла форсунки непрерывная струя жидкости распадается на нити и падает за счет взаимодействия с газом в цилиндре. Это начальное разрушение непрерывной струи жидкости называется первичным распылением .

В целом распыление струи можно разделить на разные режимы в зависимости от скорости струи [391] :

• Режим Рэлея. В этом режиме с низкой скоростью струи разрушение происходит из-за нестабильного роста поверхностных волн, вызванного поверхностным натяжением, и приводит к образованию капель, превышающих диаметр струи.
• Режим развала, вызванный первым ветром. В этом режиме средней скорости струи силы, обусловленные относительным движением струи и окружающего воздуха, увеличивают силу поверхностного натяжения и приводят к размерам капель порядка диаметра струи.
• Второй режим развала, вызванный ветром. В этом высокоскоростном режиме срыв струи характеризуется расхождением факела струи после неповрежденной или невозмущенной длины за соплом. Неустойчивый рост коротковолновых волн, вызванный относительным движением жидкости и окружающего воздуха, приводит к образованию капель, средний размер которых много меньше диаметра струи.
• Режим распыления. При очень высокой скорости струи разрушение внешней поверхности струи происходит в плоскости среза сопла или перед ней. Средний диаметр капель намного меньше диаметра сопла. Аэродинамические взаимодействия на границе раздела жидкость/газ, по-видимому, являются одним из основных компонентов механизма распыления в этом режиме.

Первоначальное разрушение струй дизельного топлива обычно происходит в режиме распыления. Доминирующие механизмы, управляющие этим процессом, не совсем ясны. Взаимозависимые явления, такие как турбулентность и схлопывание кавитирующих пузырьков, могут инициировать флуктуации скорости потока внутри сопла форсунки, которые дестабилизируют выходящую струю жидкости. Важную роль играют также нестационарность скорости инжекции и каплепадение [1616] .

Для большинства систем впрыска дизельного топлива струйное распыление на выходной плоскости форсунки происходит, когда:

ρaρf<18,3 А (1)

где ρ _a и ρ _f — плотности окружающего газа и топлива соответственно, а A — функция отношения длины к диаметру (L _o / D _o ) сопла:

A=3,0+0,28LoDo
(2)

Вторичный разрыв. После начального распада струи жидкости и начального образования капель аэродинамическое дробление капель еще больше уменьшает размер капель по мере их проникновения в окружающий воздух. это вторичное дробление в сочетании с испарением гарантирует, что капли продолжают уменьшаться в размере по мере их движения вдоль оси x (см. рис. 1).

Предполагается, что вторичное разрушение контролируется числом Вебера капли (We), которое определяется как отношение сил инерции к силам поверхностного натяжения:

We=ρaDdurel2σf
(3)

где
ρ _a — плотность окружающей среды
D _d — диаметр капли
u _отн — относительная скорость между каплей и окружающими газами
σ _f — поверхностное натяжение топлива.

Этот вторичный разрыв можно разделить на несколько различных режимов в зависимости от числа Вебера, как показано в таблице 1 [1617] [1618] [1619] .

В современных дизельных двигателях число Вебера капель обычно превышает 100, что указывает на то, что наиболее важными режимами вторичного распада являются срывной и катастрофический режимы. Вторичный разрыв начинается на конечном расстоянии от инжектора, порядка нескольких мм, и затем прекращается примерно в 15-20 мм от инжектора. Дальнейшее уменьшение размера капель ниже этого расстояния можно объяснить почти полностью испарением [1617] .

Капли претерпевают значительную деформацию при распаде и фактически не имеют сферической формы. Деформация капли, измеряемая отношением диаметра длинной оси вытянутой капли к диаметру сферической капли, может составлять около 5 при типичных условиях впрыска современного дизельного топлива. Это увеличивает площадь поверхности капли в 7-10 раз и сильно влияет на испарение топлива. Эта деформация гарантирует, что скорость испарения топлива будет равна скорости впрыска вскоре после начала впрыска 9.0026 [1617] .

###

мощный рецепт более чистых и эффективных двигателей

3 августа 2009 г.
Брайан Мэттмиллер

Источники дизельного и бензинового топлива привносят уникальные преимущества и недостатки в работу двигателей внутреннего сгорания.

Но что, если бы двигатель можно было запрограммировать на получение лучших свойств обоих источников топлива одновременно, на лету, путем смешивания топлива в самой камере сгорания?

Ответ, основанный на тестах группы по исследованию двигателей Университета Висконсин-Мэдисон, возглавляемой Рольфом Рейцем, будет заключаться в том, что дизельный двигатель будет производить значительно меньше загрязняющих веществ, чем обычные двигатели, а также в среднем на 20 процентов более эффективно использовать топливо.

Эти впечатляющие результаты были получены благодаря новой методике, которую Рейц описывает как «быстродействующее смешивание топлива», при которой впрыск топлива двигателя программируется для получения оптимальной смеси бензина и дизельного топлива в зависимости от условий эксплуатации в реальном времени.

В тяжелых условиях эксплуатации дизельного грузовика топливная смесь в стратегии заправки Рейтца может составлять от 85% бензина до 15% дизельного топлива; при более легких нагрузках процент дизельного топлива увеличится примерно до смеси 50-50. Обычно этот тип смеси не воспламеняется в дизельном двигателе, потому что бензин менее реактивен, чем дизель, и сгорает труднее. Но согласно стратегии Райтца только правильное количество впрысков дизельного топлива обеспечивает толчок для зажигания.

«Вы можете думать о дизельном аэрозоле как о наборе жидких свечей зажигания, которые, по сути, воспламеняют бензин», — говорит Рейц, заслуженный профессор машиностроения штата Висконсин. «Новая стратегия изменяет свойства топлива путем смешивания двух видов топлива в камере сгорания, чтобы точно контролировать процесс сгорания в зависимости от того, когда и сколько дизельного топлива впрыскивается».

Райц представит свои результаты сегодня (понедельник, 3 августа) на 15-й конференции Министерства энергетики США по исследованиям эффективности дизельных двигателей и выбросов в Детройте.

В смеси бензина и дизельного топлива происходят две замечательные вещи, говорит Рейц.

Во-первых, двигатель работает при гораздо более низких температурах сгорания благодаря улучшенному управлению — на 40 процентов ниже, чем у обычных двигателей, — что приводит к гораздо меньшим потерям энергии из двигателя при передаче тепла. Во-вторых, индивидуальная подготовка топлива контролирует химический состав для оптимального сгорания. Это приводит к меньшим потерям энергии несгоревшего топлива в выхлопных газах, а также к меньшему количеству выбросов загрязняющих веществ, образующихся в процессе сгорания.

Кроме того, система может использовать относительно недорогой впрыск топлива под низким давлением (обычно используемый в бензиновых двигателях) вместо впрыска под высоким давлением, который требуется в обычных дизельных двигателях.

При разработке стратегии смешивания использовались передовые модели компьютерного моделирования. Затем эти компьютерные прогнозы были проверены с использованием мощного дизельного двигателя Caterpillar в Исследовательском центре двигателей. Результаты были «действительно захватывающими», подтверждая предсказанные преимущества сжигания смешанного топлива.

Наилучшие результаты достигнуты при 53-процентном тепловом КПД в экспериментальном испытательном двигателе. Этот КПД превосходит даже самый эффективный в настоящее время дизельный двигатель в мире — массивный двухтактный двигатель с турбонаддувом, используемый в морской судоходной отрасли, который имеет 50-процентный тепловой КПД.

«Для небольшого двигателя даже приблизиться к такому огромному КПД просто замечательно, — говорит Рейц. «Еще более поразительно, что стратегия смешивания может быть также применена к автомобильным бензиновым двигателям, которые обычно имеют гораздо более низкий тепловой КПД на 25 процентов. Здесь потенциал для улучшения экономии топлива будет даже больше, чем в дизельных двигателях грузовиков».

Тепловой КПД определяется процентной долей топлива, которое фактически используется для питания двигателя, а не теряется при теплопередаче, выхлопе или других переменных.

«Что более важно, чем топливная экономичность, особенно для грузовых автомобилей, так это то, что мы довольно легко соблюдаем нормы выбросов EPA 2010 года», — говорит Рейц.

Это серьезная коммерческая проблема, поскольку планка, установленная Агентством по охране окружающей среды, довольно высока, а правила призваны сократить примерно 90 процентов всех твердых частиц (сажи) и 80 процентов всех оксидов азота (NOx) из дизельных выбросов.

Некоторые компании полностью ушли с рынка двигателей для грузовиков перед лицом новых строгих стандартов. Многие другие компании ищут альтернативы, такие как селективное каталитическое восстановление, при котором химическая мочевина (второе «топливо») впрыскивается в поток выхлопных газов для снижения выбросов NOx. Другие предлагают использовать большое количество рециркулируемых отработавших газов для снижения температуры сгорания и сокращения выбросов NOx. В этом случае необходим впрыск топлива под сверхвысоким давлением, чтобы уменьшить образование сажи в камере сгорания.

Оба этих процесса дороги и сложны с точки зрения логистики, говорит Рейц. Оба в первую очередь касаются очистки выбросов, а не эффективности использования топлива. Новая стратегия смешивания топлива в цилиндрах менее дорога и менее сложна, использует широко доступные виды топлива и одновременно решает проблемы как с выбросами, так и с топливной экономичностью.

Райтц говорит, что есть достаточно оснований полагать, что технология смешивания топлива будет работать так же хорошо в автомобилях, потому что двойное сгорание топлива работает с более низким давлением и менее дорогими топливными форсунками, чем те, которые используются в дизельных грузовиках. Применение этой технологии к транспортным средствам потребует отдельных баков как для дизельного топлива, так и для бензина, но также и для мочевины, которая перевозится в отдельном баке.

Общие последствия снижения расхода масла еще более убедительны, говорит Рейц. Соединенные Штаты потребляют около 21 миллиона баррелей нефти в день, из которых около 65 процентов (13,5 миллиона баррелей) используются на транспорте. Если бы этот новый процесс смешивания топлива мог преобразовать как дизельные, так и бензиновые двигатели с тепловым КПД 53% по сравнению с текущими уровнями, страна могла бы сократить потребление нефти на 4 миллиона баррелей в день, или одну треть всей нефти, предназначенной для транспортировки.

«Примерно столько же мы импортируем из Персидского залива», — говорит Рейц.

Компьютерное моделирование и симуляция предоставили план оптимизации смешивания топлива, процесс, который занял бы годы путем испытаний методом проб и ошибок. Рейц использовал метод моделирования, разработанный в его лаборатории, называемый генетическими алгоритмами, которые заимствуют некоторые из тех же методов естественного отбора в биологическом мире, чтобы определить «наиболее подходящие» переменные для работы двигателя.

Работа финансируется Министерством энергетики и Консорциумом по сокращению выбросов дизельных двигателей Инженерного колледжа, в который входят 24 отраслевых партнера.

Прочтите другие новости от Инженерного колледжа

СМЕСИТЕЛЬНАЯ КАМЕРА ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ВЫХЛОПНЫХ ОГ — PACCAR Inc

Нормативная норма загрязнения воздуха для дизельных двигателей заставила некоторых производителей внедрить технологию селективного каталитического восстановления (SCR) для снижения содержания оксидов азота (NOx) в выхлопных газах двигателей. . В процессе SCR в горячий выхлопной газ вводится жидкость для выхлопных газов дизельных двигателей (DEF), такая как соединение, восстанавливающее NOx (например, раствор мочевины в воде). DEF химически восстанавливает загрязняющие соединения, такие как NOx, в соединения, не загрязняющие окружающую среду, в сочетании с катализатором. Однако при типичной работе двигателя условия для процесса SCR не являются оптимальными. Например, температура выхлопных газов не оптимальна (т. е. либо слишком высокая, либо слишком холодная) или количество DEF, поступающего в выхлопные газы, не является оптимальным (т. е. в выхлопные газы поступает либо слишком много, либо слишком мало DEF). При введении DEF, который не подвергается процессу SCR (например, слишком много DEF для температуры выхлопных газов), кристаллы DEF будут накапливаться в выхлопной системе как на внутренней поверхности выхлопной трубы, так и в порту, через который раствор вводится в выхлопную систему. выхлоп. Накопление кристаллов DEF в выхлопной системе пагубно влияет на работу выхлопной системы, а также свидетельствует о неэффективности процесса SCR: кристаллы DEF представляют собой как израсходованный раствор DEF, так и снижение эффективности SCR.

При впрыскивании DEF в поток дизельных выхлопных газов во время SCR значительное количество всего впрыскиваемого DEF контактирует со стенками выхлопной трубы и превращается в жидкую пленку на стенках. В то время как этот процесс происходит, DEF, который смачивает стенки трубы, не достигает катализатора для его предполагаемого использования, и предполагаемое количество реагента не доступно в катализаторе. Чтобы обеспечить минимально необходимое количество DEF, во время нормальной работы двигателя форсунка DEF включается и выключается. Во время работы водный раствор ДЭФ впрыскивается в виде потока мелких капель. Эффективное управление этими каплями требует геометрии инжектора, специально предназначенной для переноса капель от инжектора в основной поток трубы с минимальным смачиванием стенок.

Известные способы уменьшения смачивания стенок во время впрыска DEF включают использование «дозирующего порта» DEF, имеющего инжектор DEF и камеру, открывающуюся сбоку от основной выхлопной трубы, такие как дозаторы DEF производства Bosch. Схематическая иллюстрация иллюстративного порта дозатора предшествующего уровня техники , 104, проиллюстрирована на фиг. 1, при этом порт дозатора 104 содержит дозатор DEF 108 и камеру 110 , форма которой обеспечивает проход для впрыснутого DEF 9.0006 112 в выхлопную трубу 120 . Однако такие конструкции дозаторов DEF не устраняют эффект смачивания стенок.

Например, основной поток выхлопных газов 114 заставляет газ в порте дозатора 104 двигаться с высокой скоростью. В свою очередь, эти высокие скорости газа подталкивают капли DEF (например, мочевины) к стенкам, ограничивающим камеру 110 . Капля, прилипшая к стенке, образует пленку жидкости. При определенных температурных условиях стеновая пленка будет образовывать нежелательные кристаллы DEF.

Эффективное использование системы доочистки двигателя (EAS) основано на оптимальном распылении DEF и эффективном смешивании распыленных капель DEF с выхлопными газами дизельного двигателя. Эффективность смешения, достигаемая между NH ₃ от DEF, в точке, где результирующий массовый поток поступает на вход SCR, определяется как показатель однородности. Индекс массового расхода и индекс однородности NH ₃ , равные единице, соответствуют 100% эффективности смешивания. Целью разработки EAS является получение как индекса массового расхода, так и NH ₃ Индекс однородности как можно ближе к 100%.

Факторами, влияющими на индекс распределения массового расхода и индекс однородности NH ₃ , являются: расстояние от дозатора DEF до входа в компонент SCR, время пребывания потока массы выхлопных газов от дозатора DEF до входа в SCR. компонента и температуры, которые могут повлиять на ряд термодинамических химических реакций во время пребывания массового потока выхлопных газов. Рыночные силы требуют, чтобы EAS были все более компактными, чтобы добиться экономии энергии за счет уменьшения места и веса. По мере того, как EAS становятся все более компактными, достижение эффективного смешивания становится все труднее. Кроме того, можно добиться значительной экономии средств за счет уменьшения количества различных размеров и конфигураций EAS, используемых во всем мире производителями дизельных грузовиков. Это эффективно упростит предложение продуктов и уменьшит количество изменений в инструментах. Отложения DEF на стенках, хотя и являются давней проблемой, усугубляются уменьшением размера EAS, поскольку расстояние между дозатором DEF и компонентом SCR уменьшается.

Чтобы, по крайней мере, уменьшить описанную выше неэффективность в отношении впрыска DEF во время процесса SCR, необходима система, не разработанная до сих пор, среди прочего, для облегчения впрыска жидкого раствора DEF в выхлопную систему при одновременном увеличении времени пребывания массового расхода выхлопных газов и снижения эффекта отложений на стенках, оставаясь при этом достаточно компактным, чтобы соответствовать требованиям рынка.

Это краткое изложение предназначено для ознакомления с набором концепций в упрощенной форме, которые дополнительно описаны ниже в Подробном описании. Это краткое изложение не предназначено для определения ключевых характеристик заявленного объекта, а также не предназначено для использования в качестве помощи в определении объема заявленного объекта.

В одном варианте осуществления смесительная камера для обработки выхлопных газов дизельного двигателя может включать смесительную трубу, одну или несколько вставных труб, соединенных со смесительной трубой, и смеситель, соединенный со смесительной трубой. Смесительная труба может быть выполнена с возможностью прохождения выхлопных газов дизельного топлива от первого конца смесительной трубы ко второму концу смесительной трубы. Смесительная труба может включать в себя дозатор DEF, выполненный с возможностью впрыскивания распыленного DEF в выхлопные газы дизельного двигателя, протекающие от первого конца ко второму концу. Одна или несколько вводных труб могут быть выполнены с возможностью ввода дизельного выхлопа в смесительную трубу вблизи первого конца смесительной трубы, так что дизельный выхлоп, поступающий в смесительную трубу, имеет угловой момент относительно продольной оси смесительной трубы. Поперечное сечение смесительной трубы, перпендикулярное продольной оси смесительной трубы, может быть больше, чем поперечное сечение одной или нескольких вставных труб, перпендикулярное оси одной или нескольких вставных труб, так что давление в выхлопных газах дизельного двигателя падает как выхлопные газы дизельного топлива проходят из одной или нескольких вводных труб в смесительную трубу. Смеситель может быть соединен со вторым концом смесительной трубы и выполнен с возможностью преобразования распыленного DEF в газообразный аммиак и подачи газообразного аммиака в выхлопные газы дизельного топлива.

В одном примере дозатор DEF расположен рядом с продольной осью смесительной трубы между первым концом и вторым концом, так что выхлоп дизельного топлива вводится из одной или нескольких вводных труб в смесительную трубу перед расположением дозатор ДЭФ. В другом примере смесительная камера может включать лопасти статической турбины, расположенные вокруг дозатора DEF. Дозатор DEF может быть присоединен к участку первого конца смесительной трубы, который имеет углубление по направлению ко второму концу смесительной трубы, а выхлоп дизельного топлива может быть введен из одной или нескольких вводных труб в смесительную камеру на участке смесительной трубы. первый конец смесительной трубы без зазубрин. Смесительная камера может включать в себя линию подачи DEF, которая проходит через часть первой концевой смесительной трубы, которая имеет углубление по направлению ко второму концу смесительной трубы, причем линия подачи DEF сконфигурирована для подачи DEF в дозатор DEF.

В другом примере дозатор DEF может быть расположен в смесительной трубе в месте, отделенном от внутренней радиальной поверхности смесительной трубы. Внутренняя радиальная поверхность смесительной трубы может включать текстурированную поверхность, выполненную с возможностью создания турбулентного потока выхлопных газов дизельного двигателя на внутренней радиальной поверхности смесительной трубы для уменьшения вероятности попадания распыленного DEF на внутреннюю радиальную поверхность смесительной трубы. Текстурированная поверхность может включать множество углублений.

В другом примере смеситель может включать окислительно-восстановительный катализатор на основе оксида металла, активный при осуществлении реакции прямого гидролиза мочевины. Смеситель может включать смеситель с проволочной сеткой. В одном примере микшер может быть статическим микшером, а статический микшер может быть статическим микшером с извилистым путем.

В другом примере смесительная труба и смеситель имеют цилиндрическую форму, а площадь поперечного сечения входа в смесительную трубу примерно на 30-75% меньше, чем у цилиндрической формы поперечного сечения первого часть смесительной трубы. Вход в смесительную трубу может быть ограничен множеством отражательных пластин, выполненных с возможностью усиления углового момента выхлопных газов дизельного двигателя. Смесительная труба и смеситель могут иметь цилиндрическую форму, а диаметр цилиндрической формы смесительной трубы и диаметр цилиндрической формы смесителя примерно на 10-50% больше, чем диаметр цилиндрической формы смесителя. первую часть смесительной трубы.

В другом примере одна или несколько вставных труб выполнены с возможностью поворота дизельного выхлопа, поступающего в смесительную трубу, примерно на 135° или больше, чем на 135°, когда дизельный выхлоп входит в смесительную трубу. Одна или несколько вставных труб могут включать змеевидную часть, предшествующую точке, в которой дизельный выхлоп вводится из одной или нескольких вставных труб в смесительную трубу. Ось одной или более вставных труб может быть осью змеевидной части, а осевой угол между осью одной или более вставных труб и продольной осью смесительной трубы может быть меньше 9°. 0°. Угол оси между осью одной или более вставных труб и продольной осью смесительной трубы составляет менее 45°.

В другом примере одна или несколько вставных трубок могут иметь прямой участок, предшествующий змеевидному участку. Прямая часть одной или нескольких вставных труб может быть по существу перпендикулярна к смесительной трубе. Ось одной или нескольких вставных труб может быть осью прямого участка одной или нескольких вставных труб. Противодавление выхлопных газов дизеля, создаваемое камерой смешения, может быть ограничено, чтобы оно не превышало 7 кПа. Смеситель содержит множество перегородок с углами до 30°, расположенных во множестве различных направлений.

Смеситель может иметь первый конец, соединенный со вторым концом смесительной трубы, и второй конец, противоположный первому концу смесителя, и расстояние между первым концом смесительной трубы и вторым концом смесителя не может превышать 10 дюймов. Расстояние между первым концом смесительной трубы и вторым концом смесительной трубы не должно превышать 8 дюймов. Одна или несколько вставных трубок могут быть расположены в области, частично ограниченной первой плоскостью и второй плоскостью, причем первая плоскость компланарна первому концу смесительной трубки, а вторая плоскость параллельна и не превышает 2 дюймов от нее. с первого самолета.

В другом варианте осуществления смесительная камера может включать в себя смесительную трубу, выполненную с возможностью прохождения дизельных выхлопных газов, перегородку, расположенную в смесительной трубе и содержащую множество перегородок, дозатор дизельной выхлопной жидкости (DEF) и смеситель, расположенный в смесительной трубе после дозатора DEF. Множество перегородок сконфигурировано для увеличения углового момента выхлопных газов дизельного двигателя, проходящих через смесительную трубу. Дозатор DEF сконфигурирован для впрыскивания распыленного DEF в выхлопные газы дизеля, протекающие по смесительной трубе после компонента перегородки. Смеситель предназначен для преобразования распыленного DEF в газообразный аммиак и введения газообразного аммиака в выхлоп дизельного топлива.

В одном примере дозатор DEF сконфигурирован для впрыскивания распыленного DEF в смесительную трубу через боковую стенку смесительной трубы. Угол множества дефлекторов может быть выбран на основании эффективности смешивания распыленного DEF с выхлопом дизельного двигателя. Угол множества перегородок может быть меньше или равен примерно 30°. Количество перегородок из множества перегородок может быть выбрано на основании эффективности смешивания распыленного DEF с выхлопными газами дизельного двигателя. Количество множества перегородок больше или равно восьми и меньше или равно двадцати шести. Компонент дефлектора и смеситель могут быть расположены по существу соосно со смесительной трубой.

Вышеизложенные аспекты и многие сопутствующие преимущества настоящего изобретения станут более понятными по мере того, как они будут лучше поняты при обращении к следующему подробному описанию в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

РИС. 1 представляет собой схематическое изображение порта дозатора DEF известного уровня техники, установленного на выхлопной трубе.

РИС. 2А представляет собой график, изображающий скорость изменения диаметра капель DEF, а фиг. 2B включает диаграмму, изображающую взаимосвязь между расстоянием и временем пребывания для H ₂ Испарение O и образование NH ₃ из распыленного DEF.

РИС. 3 представляет собой график, изображающий энергетический барьер активации для конкретной реакции SCR.

РИС. 4А показана дозирующая система DEF, которая включает в себя трубу с выхлопом, проходящим через трубу, а на фиг. 4В показан статический смеситель с проволочной сеткой, используемый в системе, показанной на фиг. 4А.

РИС. 5 показан вариант смесительной камеры для обработки выхлопных газов дизельного двигателя в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.

РИС. 6А показан вариант реализации коллектора, который можно использовать для направления выхлопных газов дизельного топлива, когда они входят в смесительную трубу, в соответствии с вариантами реализации, раскрытыми в данном документе, а на ФИГ. 6В показан вариант осуществления компонента перегородки, который можно использовать для увеличения углового момента дизельного выхлопа в коллекторе, показанном на ФИГ. 6А.

РИС. 7А изображен вид в поперечном сечении другого варианта осуществления смесительной камеры в соответствии с вариантами осуществления, раскрытыми в настоящем документе, а на ФИГ. 7В показан вариант осуществления системы обработки выхлопных газов в соответствии с вариантами осуществления, раскрытыми в данном документе.

РИС. 8 изображен другой вариант смесительной камеры в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.

РИС. 9 показана часть варианта осуществления смесительной камеры в соответствии с вариантами осуществления, раскрытыми в настоящем документе.

РИС. 10 показаны варианты осуществления статических смесителей с проволочной сеткой в ​​соответствии с вариантами осуществления, раскрытыми в настоящем документе.

РИС. 11 показан пример спецификации обжима проволочной сетки в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.

РИС. 12А-12С изображают различные варианты осуществления спецификаций обжима проволочной сетки в соответствии с вариантами осуществления, раскрытыми в данном документе.

РИС. 13А изображен другой вариант смесительной камеры в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления, а на ФИГ. 13B-13D изображают варианты компонентов перегородки, которые можно использовать в смесительной камере, изображенной на фиг. 13А.

РИС. 14 показан пример способа обработки выхлопных газов дизельного двигателя в соответствии с раскрытыми здесь вариантами осуществления.

Подробное описание, изложенное ниже в связи с приложенными чертежами, предназначено для описания различных вариантов осуществления раскрытого предмета изобретения и не предназначено для представления только вариантов осуществления. Каждый вариант осуществления, описанный в этом раскрытии, представлен просто в качестве примера или иллюстрации и не должен рассматриваться как предпочтительный или выгодный по сравнению с другими вариантами осуществления. Иллюстративные примеры, приведенные здесь, не предназначены для того, чтобы быть исчерпывающими или ограничивать изобретение конкретными раскрытыми формами. Точно так же любые этапы, описанные в настоящем документе, могут быть взаимозаменяемы с другими этапами или комбинациями этапов для достижения такого же или по существу аналогичного результата.

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к диффузионным устройствам для облегчения впрыска жидкости для выхлопных газов дизельных двигателей (DEF), такой как раствор оксидов азота-восстановителя (например, мочевины), в выхлопные газы как часть селективного каталитического восстановления (SCR). ) система. Варианты реализации смесительной камеры направляют выхлоп дизельного топлива из впускной трубы в диффузионную смесительную трубу, куда впрыскивается DEF, и из смесительной трубы в смеситель. Выхлопные газы дизеля проходят через смесительную трубу таким образом, что увеличивается время пребывания дизельных выхлопных газов в смесительной трубе, что увеличивает смешивание дизельных выхлопных газов с впрыскиваемым DEF.

Хотя мочевина в настоящее время является предпочтительным DEF, используемым в автомобильной промышленности для снижения содержания оксидов азота в выхлопных газах дизельных двигателей, настоящее изобретение не ограничивается устройством для использования при впрыскивании раствора мочевины. Другие формы DEF, такие как растворы оксидов азота-восстановителя (например, аммиак), лучше вводить с помощью приведенных примеров диффузионного аппарата. Кроме того, представленные примеры не ограничиваются впрыскиванием раствора восстановителя оксидов азота, а полезны для обеспечения прохода между любым инжектором жидкости и потоком газа.

В последующем описании изложены многочисленные конкретные детали, чтобы обеспечить полное понимание иллюстративных вариантов осуществления настоящего раскрытия. Однако специалисту в данной области техники будет очевидно, что многие варианты осуществления настоящего раскрытия могут быть реализованы на практике без некоторых или всех конкретных деталей. В некоторых случаях общеизвестные аспекты не были подробно описаны, чтобы не затенять без необходимости различные аспекты настоящего раскрытия. Кроме того, следует понимать, что варианты осуществления настоящего изобретения могут использовать любую комбинацию функций, описанных здесь.

Расстояние между дозатором DEF и входом в компонент SCR и массовый расход могут влиять на время пребывания для испарения H ₂ O и образования NH ₃ из распыленного раствора DEF при заданной температуре. ИНЖИР. 2А представляет собой график, изображающий скорость изменения диаметра капель DEF, а фиг. 2B включает диаграмму, изображающую взаимосвязь между расстоянием и временем пребывания для испарения H ₂ O и образования NH ₃ из распыленного DEF. На фиг. 2В вертикальная линия на диаграмме изображает расстояние и соответствующее время пребывания для конкретного EAS. Как показано на фиг. 2А и 2Б, чем компактнее ЭАС, тем менее благоприятны условия для термического разложения распыленного ДЭФ. Область слева от кривой Nh4+HNCO на фиг. 2В представляет количество DEF, которое не было преобразовано в результате термического разложения. Этот неразложившийся DEF в сочетании с высокой концентрацией HNCO способствует образованию отложений DEF.

Химические процессы, происходящие во время распыления DEF и процесса SCR, включают:

H ₂ Испарение O (эндотермическое) (1)

DEF→NH ₃ +HNCO (эндотермическое) (3)

0 HNCO+H

₂ O→NH ₃ +CO ₂ (гидролиз) (3)

Обе реакции (1) и (2) являются тепловыми процессами и, как таковые, они напрямую зависят от потока выхлопных газов двигателя условия. Однако при температуре 300°С или выше эти реакции обычно протекают быстро. Реакция (3) является лимитирующей стадией, поскольку она протекает медленно в газовой фазе и требует контакта с поверхностью катализатора для достижения приемлемой скорости реакции. Катализатор SCR может служить этой цели в этих обстоятельствах. Это одна из причин включения оксидов металлов титана, вольфрама и циркония в рецептуры катализаторов СКВ.

В результате резко низкой скорости реакции (3) в газовой фазе высокие концентрации HNO могут локально накапливаться и реагировать с неразложившимся DEF. Это одна из возможных причин начала и прогрессирования образования отложений DEF. В более компактных конструкциях EAS ограниченные объемы и пути потока особенно способствуют образованию отложений по этому механизму. ИНЖИР. 3 изображен барьер энергии активации для реакции SCR. По сравнению с гидролизом HNCO барьер энергии активации для реакции SCR выше, значительно более чувствителен к температуре и чрезмерно высок при температурах ниже примерно 230°C. Это означает, что при низких температурах катализатор SCR может играть решающую роль в гидролизе. HNCO и предоставление большего количества NH ₃ для проведения реакции SCR. Кроме того, это показывает, что гидролиз HNCO помогает предотвратить значительное локальное накопление HNCO, которое может привести к образованию отложений. Двойная функция катализатора SCR играет большую роль в определении размера компонентов SCR (например, веса, объема, стоимости размещения катализатора). Размер катализатора SCR может быть значительно уменьшен, если будет найден метод эффективного проведения реакции (3) и/или прямого гидролиза DEF, такого как мочевина, как показано в реакции (4):

H ₂ NCONH ₂ +H ₂ O→2NH ₃ +CO ₂ (гидролиз мочевины) (4)

) из-за неправильного распределения DEF спрей будет иметь охлаждающий эффект. При более низких температурах скорость термически управляемых реакций (1) и (2) снижается. В конечном итоге это может привести к образованию отложений. Это представляет серьезную проблему для достижения эффективного смешивания в компактных EAS. Столкновение напрямую связано как с образованием отложений DEF, так и с неправильным распределением потока и NH ₃ однородность.

Статические смесители обычно используются в EAS для смешивания капель распыленного раствора DEF и выхлопных газов двигателя. Несмотря на частое появление отложений DEF на смесителе или поблизости от него, а также в футе или более после смесителя, EAS можно эксплуатировать в соответствии со стандартами выбросов. По мере того, как стандарты выбросов, экономия топлива и требования к пространству становятся все более и более строгими, обычные статические смесители сами по себе не будут продолжать работать достаточно хорошо для тяжелых условий эксплуатации дизельных двигателей. Эти противоречивые потребности должны быть учтены при разработке компактных EAS с улучшенными технологиями дозирования и смешивания.

Известные системы DEF/SCR имеют ряд недостатков, включая некоторые или все из них: недостаточное время или расстояние пребывания для медленной кинетики реакции, негативное влияние на функцию катализатора SCR (например, из-за недоступности активных центров восстановления NO _x , преждевременное старение, проскальзывание твердых частиц и короткие компоненты SCR) и низкие скорости дозирования DEF. В целом, существующие системы не обеспечивают эффективного распыления DEF и смешивания тумана DEF с выхлопными газами двигателя. Таким образом, существующие системы не могут обеспечить распределение массового расхода и NH ₃ Показатели однородности близки к единице. Существующие системы также не способны достаточно хорошо разлагать (или преобразовывать) DEF, чтобы уменьшить образование отложений.

РИС. 4A изображена система , 400, , которая включает в себя некоторые из упомянутых выше проблем. Система 400 включает в себя трубу 402 с выхлопом 404 , проходящим через трубу 402 . Система 400 включает в себя статический смеситель с проволочной сеткой 406 , соединенный с перегородками 408 внутри трубы 402 . ИНЖИР. 4B показан вид статического смесителя 406 с проволочной сеткой в ​​системе 400 . Возвращаясь к фиг. 4A, дозатор DEF 410 расположен в трубе 402 перед статическим смесителем с проволочной сеткой 406 и перегородками 408 . Дозатор DEF 410 впрыскивает распыленный DEF 412 в поток выхлопных газов 404 . Этот подход был использован для каталитического гидролиза DEF до газообразного NH ₃ , но, как сообщается, имеют ограниченный успех из-за противоречивых результатов. В частности, этот тип устройства может допускать накопление относительно высоких концентраций HNCO. Такое накопление HNCO делает ЭАС склонным к образованию отложений и может потребовать дальнейшего участия катализатора СКВ для достижения полного гидролиза. Одна проблема с конструкцией, показанной на фиг. 4А представляет собой часть дозатора DEF 410 , которая выступает из трубы 402 до точки, в которой распыленный DEF 412 выходит из дозатора DEF 410 . Хотя такое расположение позволяет распылять DEF 412 в месте, отделенном от внутренней поверхности трубы 402 , выступ дозатора DEF 410 из трубы 402 может нарушить схему потока выхлопных газов. 404 , который проходит мимо дозатора DEF 410 .

РИС. 5 показан вариант смесительной камеры 500 для обработки дизельного выхлопа 502 . Смесительная камера 500 включает в себя смесительную трубку 510 , одну или несколько вставных трубок 520 и смеситель 530 . Смесительная труба 510 включает первый конец 511 и второй конец 512 , а выхлоп дизельного двигателя 502 проходит от первого конца 511 ко второму концу 512 . Смесительная трубка 510 включает внутреннюю радиальную поверхность 513 и продольную ось 9.0006 514 . Смесительная трубка 510 также включает дозатор DEF 515 , который впрыскивает распыленный DEF 516 в выхлоп дизельного двигателя 502 по мере того, как выхлоп дизельного топлива 502 проходит от первого конца

6 502

до второго конца

6 511

. . Дозатор DEF 515 может питаться от линии подачи DEF 517 . В конкретном варианте осуществления, показанном на фиг. 5, дозатор DEF 515 расположен на участке 518 первого конца 511 с отступом ко второму концу 512 . Такое расположение позволяет разместить дозатор DEF 515 вблизи продольной оси 514 между первым концом 511 и второй отправкой 512 . Это также позволяет разместить дозатор DEF 515 в месте, отделенном от внутренней радиальной поверхности 513 смесительной трубы 510 . Часть дозатора DEF 515 или линия подачи DEF 517 может проходить через зазубренную часть 518 . Такое расположение позволяет выхлопу дизельного топлива 502 поступать в смесительную трубу 510 до расположения дозатора DEF 515 без дозатора DEF 515 или линии подачи DEF 517 , влияющих на поток дизельного топлива. выхлоп 502 .

Одна или несколько вставных труб 520 вставляют выхлоп дизельного двигателя 502 в смесительную трубу 510 вблизи первого конца 511 таким образом, что выхлоп дизельного двигателя 502 , поступающий в смесительную трубу 510 , имеет угловой момент относительно продольной оси 514 смесительной трубы 510 . Угловой момент дизельного выхлопа 502 в смесительной трубе 510 может увеличить время пребывания дизельного выхлопа 502 в смесительной трубе 510 , потому что дизельный выхлоп 502 совершает круговое или вихревое движение вокруг продольной оси 514 смесительной трубы 510 , а также движется от первого конца 511 ко второму концу 512 смесительной трубы 510 . Увеличенное время пребывания дизельного выхлопа 502 в смесительной трубе повышает равномерность смешивания распыленного DEF 516 с дизельным выхлопом 502 . Круговое или вихревое движение дизельного выхлопа 502 также увеличивает турбулентность в потоке выхлопных газов дизеля 502 , а повышенная турбулентность повышает равномерность смешивания распыленного DEF 516 с выхлопными газами дизеля 502 . Угловой момент дизельного выхлопа 502 может привести к тому, что максимальная скорость дизельного выхлопа 502 в смесительной трубе 510 будет находиться вблизи внутренней радиальной поверхности 513 . Более высокая скорость дизельного выхлопа 502 вблизи внутренней радиальной поверхности 513 может повысить вероятность того, что любой распыленный DEF 516 , который приближается к внутренней радиальной поверхности 513 , вместо этого смешается с выхлопом дизельного двигателя 502 (т. вероятность того, что распыленный DEF 516 ударится о внутреннюю радиальную поверхность 513 ).

Одна или несколько вставных трубок 520 включают прямую часть 522 и змеевидную часть 524 . Прямой участок 522 может быть перпендикулярен смесительной трубе 510 . Змеевидная часть 524 может быть расположена таким образом, чтобы выхлопной патрубок 502 поворачивался более чем на 90°, когда выхлопной патрубок 502 входит в смесительную трубу 510 . В одном варианте осуществления змеевидная часть 524 расположена таким образом, что выхлопной патрубок 502 дизельного двигателя поворачивается примерно на 135° по мере того, как выхлопной патрубок 9 дизельного двигателя0006 502 входит в смесительную трубу 510 . Вращение выхлопа дизельного двигателя 502 таким образом увеличивает угловой момент выхлопа 502 дизельного двигателя, поступающего в смесительную трубку 510 .

Одна или несколько вставных трубок 520 включают в себя ось 526 . В варианте осуществления, показанном на фиг. 5, ось 526 одной или нескольких вставных трубок 520 является осью змеевидной части 526 . В других вариантах осуществления ось 526 одной или более вставных трубок 520 может быть осью прямого участка 522 . Поперечное сечение смесительной трубы 510 , которое перпендикулярно продольной оси 514 , может быть больше, чем поперечное сечение одной или нескольких вставных труб 520 , которое перпендикулярно оси 526 , так что давление в дизельный выхлоп 502 падает как дизельный выхлоп 502 проходит от одной или нескольких вставных трубок 520 в смесительную трубку 510 . Более низкое давление в смесительной трубе 510 снижает скорость потока дизельного выхлопа 502 , чтобы увеличить время пребывания дизельного выхлопа 502 в смесительной трубе 510 .

Смеситель 530 соединяется со вторым концом 512 смесительной трубы 510 . Смеситель 530 предназначен для введения газообразного аммиака в выхлоп дизельного топлива 502 впрыскивается распыленным DEF 516 . В одном варианте осуществления газообразный аммиак вводят путем каталитического гидролиза некоторого количества дизельных выхлопных газов 502 , впрыскиваемых распыленным DEF 516 , с образованием газообразного NH ₃ (например, согласно уравнению (4), показанному выше). Аммиак можно использовать позже в функции селективного каталитического восстановления (SCR).

Миксер 530 может быть статическим миксером. В одном варианте смеситель 530 представляет собой статический микшер с извилистым путем. Статический смеситель с извилистым путем не включает прямых (то есть линейных) путей от одной стороны смесителя 530 к другой стороне. Такая компоновка приводит к тому, что как можно больше дизельного выхлопа 502 , впрыснутого с распыленным DEF 516 , сталкивается с некоторой частью смесителя 530 , насколько это возможно. Таким образом, эффект катализатора может максимизировать преобразование дизельного выхлопа 502 , впрыскиваемого распыленным DEF 9.0006 516 в газообразный NH ₃ . В одном примере смеситель 530 включает один или несколько элементов из проволочной сетки или керамического материала. Части смесителя 530 могут быть покрыты катализатором, который способствует преобразованию дизельного выхлопа 502 , впрыскиваемого распыленным DEF 516 , в газообразный NH ₃ .

Поперечное сечение смесителя 530 , перпендикулярное продольной оси 514 , может быть больше поперечного сечения смесительной трубы 510 перпендикулярно оси 526 таким образом, чтобы давление в выхлопных газах дизеля 502 впрыскиваемого с распыленным DEF 516 падало по мере того, как дизельный выхлоп 502 впрыскивался с распыленным DEF 516 900 труба 510 в смеситель 530 на первом конце 531 смесителя. Пониженное давление в смесителе 530 уменьшает расход дизельного выхлопа 502 для увеличения времени пребывания дизельного выхлопа 502 в смесителе 530 . Смесительная трубка 510 и смеситель 530 могут иметь цилиндрическую форму. В одном варианте осуществления площадь поперечного сечения входа смесительной трубы 510 примерно на 30-75% меньше, чем форма поперечного сечения первой части смесительной трубы 510 . В другом варианте диаметр смесителя 530 и диаметр смесительной трубы 510 может быть примерно на 10-50% больше диаметра первой части смесительной трубы 510 . Газообразный аммиак вводится в выхлоп дизельного топлива 502 , впрыскиваемый с распыленным DEF 516 в смеситель 530 , и выходит из второго конца 532 смесителя 530 . Затем выхлоп дизельного двигателя 502 с газообразным аммиаком может подвергаться функции SCR.

Камера смешения 500 может иметь компактную форму. В одном варианте осуществления расстояние 541 от первого конца 511 смесительной трубы 510 до второго конца 532 смесителя 530 может быть равно или меньше примерно десяти дюймов. В другом варианте осуществления расстояние 542 от первого конца 511 смесительной трубы 510 до второго конца 512 смесительной трубы 510 может быть равно или меньше примерно восьми дюймов. В другом варианте осуществления одна или несколько вставных трубок 520 может быть выполнен с возможностью вставки выхлопа дизельного двигателя 502 в смесительную трубу в области, частично ограниченной первой и второй плоскостями, причем первая плоскость лежит в одной плоскости с первым концом 511 смесительной трубы 510 , а вторая плоскость параллельна первой плоскости и не превышает расстояния 543 от нее. Расстояние 543 может быть не более двух дюймов. В одном конкретном варианте осуществления одна или несколько вставных труб 520 расположен в пределах двух дюймов от первого конца 511 смесительной трубы 510 , второй конец 512 смесительной трубы 510 расположен в пределах восьми дюймов от первого конца 511 смесительная трубка 510 , а смеситель 530 расположен в пределах десяти дюймов от первого конца 511 смесительной трубки 510 .

Смесительная камера 500 может быть сконфигурирована для ограничения величины противодавления, создаваемого смесительной камерой в выхлопной системе 500 . По мере увеличения противодавления в выхлопной системе увеличивается и расход топлива автомобилем. Увеличение углового момента выхлопного газа 502 (например, с использованием перегородок или других компонентов) по мере того, как выхлопной газ 502 поступает в смесительную трубу 510 , может увеличить противодавление, создаваемое смесительной камерой 500 . В одном варианте осуществления смесительная камера 500 может быть сконфигурирована таким образом, чтобы противодавление, создаваемое смесительной камерой 500 не превышает 7 кПа.

РИС. 6А показан вариант реализации коллектора 600 , который можно использовать для направления выхлопных газов 602 дизельного топлива, когда они входят в смесительную трубу (например, в смесительной трубе 510 , когда выхлопные газы дизельного топлива 502 входят в смесительную трубу 510 ). из одной или нескольких вставных труб 520 ). Коллектор 600 включает в себя корпус 610 с впускным отверстием 612 , через которое проходят выхлопные газы дизельного двигателя 602 из вставной трубы. Хотя вариант корпуса 610 , показанный на фиг. 6A имеет только одно впускное отверстие 612 , в корпус 610 может быть включено любое количество впускных отверстий . В то время как корпус 610 , показанный на ФИГ. 6А имеет тороидальную форму с круглым поперечным сечением, корпус 610 также может иметь тороидальную форму с любым другим поперечным сечением (например, тороид с квадратным поперечным сечением) или любую другую форму. Врезка дизельного выхлопа 602 во впускное отверстие 612 может привести к тому, что выхлоп дизельного двигателя 602 будет иметь угловой момент относительно оси смесительной трубы (не показана). Форма корпуса 610 и способ вставки выхлопной трубы 602 могут вызвать угловое ускорение выхлопной трубы 602 в корпусе 610 .

Корпус 610 имеет патрубки 614 , которые позволяют выхлопу дизельного топлива 602 для выхода из корпуса 610 к центру корпуса 610 . Компонент перегородки 620 может быть расположен в центре корпуса 610 . Компонент 620 перегородки (показан отдельно на фиг. 6B) включает в себя несколько отражателей 622 , прикрепленных к центральному кольцу 624 . Перегородки 622 могут быть приспособлены для направления выхлопных газов 602 дизельного топлива, выходящих из выпускных отверстий 614 , для прохождения через смесительную трубу (не показана). Расположение перегородок 622 может поддерживать большую часть углового момента дизельного выхлопа 602 , выходящего из выпускных отверстий 614 , так что дизельный выхлоп 602 продолжает иметь угловой момент при прохождении через смесительную трубу. Центральное кольцо 624 может располагаться вокруг дозатора DEF в смесительной трубе. Когда выхлоп дизельного двигателя 602 выходит из патрубков 614 возле центрального кольца 624 , выхлоп дизельного двигателя 602 выходит из корпуса 610 рядом с дозатором DEF, что повышает вероятность того, что в выхлоп дизельного двигателя 602 будет впрыснут распыленный DEF из дозатора DEF. Компонент перегородки 620 может быть статическим, поскольку он остается неподвижным по отношению к смесительной трубе (т.е. он не вращается относительно продольной оси смесительной трубы).

РИС. 7А показан вид в разрезе другого варианта осуществления смесительной камеры , 700, , а на ФИГ. 7В показан вариант осуществления системы очистки выхлопных газов 9.0006 770 , включая смесительную камеру 700 . Смесительная камера 700 включает в себя смесительную трубку 710 , одну или несколько вставных трубок 720 и смеситель 730 . Система обработки выхлопных газов 770 включает в себя смесительную камеру 700 , компонент SCR 740 , катализатор окисления аммиака (AMOX) 750 и выпускное отверстие 760 . Выхлоп дизельного двигателя 702 вставляется через одну или несколько вставных труб 720 в смесительную трубу 710 вблизи первого конца 711 смесительной трубы 710 таким образом, что выхлоп дизельного двигателя 702 имеет угловой момент относительно продольной оси смесительной трубы 710 . Смесительная трубка 710 включает в себя неподвижные перегородки 718 , которые предназначены для направления выхлопных газов 702 дизельного двигателя через смесительную трубу 710 к смесителю 730 . Статические перегородки 718 расположены вокруг дозатора DEF 715 , который впрыскивает распыленный DEF в выхлоп дизельного топлива 702 , проходящий через смесительную трубу 710 к смесителю 730 . Дизельный выхлоп 702 , в который впрыскивается распыленный DEF, проходит через смеситель 730 , где газообразный аммиак вводится в дизельный выхлоп 702 . Компонент SCR 740 выполняет функцию SCR для дизельного выхлопа, а функция SCR может использовать газообразный аммиак в дизельном выхлопе 702 . Дизельный выхлоп 702 проходит в AMOX 750 и затем через выход 760 направляется к выхлопной трубе. AMOX 750 предназначен для удаления избыточного аммиака из дизельного выхлопа 702 . В системе обработки выхлопных газов 770 может использоваться любой из других вариантов осуществления смесительных камер, раскрытых в данном документе.

РИС. 8 показан другой вариант смесительной камеры 800 . Смесительная камера 800 включает смесительную трубку 810 и вставную трубку 820 . Смесительная трубка 810 имеет продольную ось 814 , а вставная трубка 820 имеет ось 826 . В варианте осуществления, показанном на фиг. 8, вставная труба 820 имеет змеевидную секцию 824 , а ось 826 является осью змеевидной секции 824 .

В качестве выхлопа дизеля 802 проходит через впускной патрубок 820 к смесительному патрубку 810 , к выхлопу дизеля 802 испытать поворот. Угол поворота 842 можно определить как угол от оси 826 впускной трубы 820 до продольной оси 814 смесительной трубы 810 , под которым выхлоп дизельного двигателя 802 поворачивается для входа в смесительная трубка 810 . Угол поворота 842 может быть больше 90°. В одном варианте угол поворота 842 составляет около или больше 135°. В другом варианте угол поворота 842 составляет примерно 135°. Угол поворота 842 также может быть определен другими способами, такими как угол между внутренней стенкой 828 змеевидной секции 824 и внутренней радиальной стенкой 813 смесительной трубы 813 . Конфигурация смесительной трубы 810 и змеевика 824 может быть определена осевым углом 844 между продольной осью 814 смесительной трубы 810 и осью 826 вставной трубы 820 . Угол оси 844 может быть меньше 90°. В одном варианте осуществления осевой угол 844 составляет около или меньше 45°. В другом варианте осуществления угол оси 844 составляет около 45°. Варианты углов поворота и углов осей, описанные в отношении смесительной камеры , 800, на ФИГ. 8, можно использовать с любыми другими вариантами смесительных камер, описанными здесь.

РИС. 9 показана часть варианта осуществления смесительной камеры 900 с текстурированной смесительной трубой 910 , которую можно использовать в соответствии с любой из описанных здесь смесительных камер. Смесительная камера 900 включает смесительную трубку 910 и вставную трубку 920 . Смесительная трубка 910 включает внутреннюю радиальную поверхность 913 . Выхлоп дизельного двигателя 902 вставлен в смесительную трубку 910 из впускного патрубка 920 и распыленный DEF 916 впрыскивается в выхлоп дизельного топлива 902 , когда выхлопной газ 902 проходит из впускного патрубка 920 в смеситель 070 9030 . Внутренняя радиальная поверхность 913 имеет текстурирование, создающее разрывы 904 в потоке выхлопных газов 902 дизеля. Сбои 904 могут увеличить вероятность того, что распыленный DEF 916 смешивается с выхлопом дизеля 902 и, таким образом, снижает вероятность попадания распыленного DEF 916 на внутреннюю радиальную поверхность 913 . В варианте осуществления, показанном на фиг. 9, текстурирование на внутренней радиальной поверхности 913 выполнено в виде углублений 919 на внутренней радиальной поверхности 913 . Возможны и другие формы текстурирования. Например, ямки 919 можно заменить ребрами или любыми другими выступами, вызывающими срывы 904 в потоке выхлопа дизеля 902 у внутренней радиальной поверхности 913 . Любые выступы внутренней радиальной поверхности 913 (например, углубления 919 , ребра и т. д.) могут быть выполнены из того же материала, что и смесительная трубка 910 . Выступы внутренней радиальной поверхности 913 также могут быть выполнены из другого материала и приклеены к внутренней радиальной поверхности 913 смесительной трубы 910 . Выступы с внутренней радиальной поверхности 913 также может быть образован обработкой внутренней радиальной поверхности 913 смесительной трубы 910 . По крайней мере, часть поверхностей внутренних стенок, вплоть до всей поверхности внутренних стенок смесительной камеры и соединительных трубок, может быть покрыта катализатором гидролиза ДЭФ для повышения конверсии ДЭФ в газообразный аммиак и минимизации образования отложений ДЭФ. . В другом примере текстурирование может быть в виде углублений на внутренней радиальной поверхности 9.0006 913 смесительной трубы 910 . Углубления могут иметь любую форму, такую ​​как полусферические углубления, кольцеобразные углубления и т.п.

РИС. 10 показаны варианты исполнения смесителей , 1010, и , 1020, . Смесители 1010 и 1020 представляют собой статические смесители с проволочной сеткой. Смесители 1010 и 1020 могут использоваться в качестве смесителей в любом из вариантов осуществления смесительных камер, раскрытых в настоящем документе. Сетка смесителей 1010 и 1020 могут включать одну или несколько фигур, кривых, изгибов и/или любых других элементов, которые увеличивают вероятность того, что выхлопные газы дизельных двигателей, проходящие через смесители 1010 и 1020 , попадут на часть проволочная сетка. Такие смесители 1010 и 1020 можно назвать статическими смесителями с извилистыми путями. Хотя смесители 1010 и 1020 изображены как статические смесители с проволочной сеткой, можно использовать смесители любого другого типа, например смесители керамического типа.

РИС. 11 показан пример спецификации 1100 обжима проволочной сетки. Спецификация обжима проволочной сетки 1100 определяет внешний край проволочной сетки, такой как проволочная сетка смесителей 1010 и 1020 , показанных на ФИГ. 10. Спецификация обжима проволочной сетки 1100 определяется шириной обжима 1110 , высотой обжима 1120 и углом обжима 1130 . Различные варианты ширины обжима 1110 , высота обжима 1120 и обжимные уголки 1130 . ФИГ. 12А-12С изображают примеры спецификаций обжима проволочной сетки. ИНЖИР. 12A показаны характеристики обжима проволочной сетки с конфигурацией в виде елочки (т.е. V-образной). ИНЖИР. 12В показаны характеристики извитости проволочной сетки с углом изгиба 10°, где угол изгиба 10° направлен вверх справа налево. ИНЖИР. 12С показаны характеристики извитости проволочной сетки с углом изгиба 30°, где угол изгиба 30° направлен вверх слева направо.

Любой из смесителей, описанных в данном описании, может быть покрыт катализатором. Катализатор может быть нанесен на смеситель (например, на проволочную сетку статического смесителя с извилистым контуром) для достижения эффективного гидролиза DEF в NH ₃ (см. уравнение (4)). Покрытие также может свести к минимуму или исключить образование HNCO или отложений. В одном варианте катализатор может обеспечивать дозирование DEF в смесительной камере при относительно низких температурах (т.е. вплоть до примерно 150°C). По крайней мере, часть поверхностей внутренних стенок, вплоть до всей поверхности внутренних стенок смесительной камеры и соединительных трубок, может быть покрыта катализатором гидролиза ДЭФ для повышения конверсии ДЭФ в газообразный аммиак и минимизации образования отложений ДЭФ. .

В одном варианте осуществления катализатор представляет собой оксид циркония, стабилизированный 8 мол. % иттрия. Из катализатора формовали состав промывочного покрытия, который включал 3,0 г катализатора, 4,4 г связующего полиэтиленоксида, 0,5 г поверхностно-активного вещества полиэтиленоксид/полипропиленоксид, 2,2 г водной суспензионной среды. Состав промывочного покрытия энергично перемешивали вручную, давали возможность дегазироваться в течение 30 минут и использовали для покрытия погружением кусков проволочной сетки и извлекали из смесителя с проволочной сеткой для образцов. Проволоку с покрытием сушили на воздухе в вытяжном шкафу в течение 15 минут, затем переносили в печь для сушки и спекания частиц катализатора с образованием сплошного покрытия следующим образом: 15 минут при 105°С и 60 минут при 500°С. Результаты сканирующего электронного микроскопа и анализа с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии полученного промывочного покрытия анализировали для подтверждения эффективности нанесения промывочного покрытия порциями смесителя с проволочной сеткой. Такой же состав промывочного покрытия использовали для покрытия чашки для термогравиметрического анализа (ТГА) оксида алюминия. Покрытый катализатором поддон давал такие же результаты ТГА для гидролиза DEF, как и при использовании исходного порошка катализатора, добавленного к 50% раствору DEF, в исследованиях по скринингу катализатора. Другие примеры катализаторов и реакторов описаны, например, в примере 5 заявки на патент США сер. № ______, озаглавленный «Реактор гидролиза мочевины для селективного каталитического восстановления» (дело поверенного № PCCR-1-44754), поданное 15 сентября 2014 г. , полностью включенное в настоящий документ посредством ссылки.

Описанные здесь усовершенствования смешивания DEF с выхлопными газами (например, за счет увеличения углового момента и использования смесителей) можно применить к традиционным камерам смешения, которые в настоящее время используются в коммерческих целях. Соответственно, фиг. 13А показан вариант осуществления смесительной камеры , 1300, , которая является модификацией смесительной камеры предшествующего уровня техники, показанной на ФИГ. 1. Такая модифицированная традиционная смесительная камера может быть легко интегрирована в известные выхлопные системы, тем самым обеспечивая улучшенное смешивание DEF без необходимости изменения конфигурации выхлопной системы транспортного средства. Обращаясь теперь к фиг. 13А, смесительная камера 1300 включает в себя смесительную трубку 1310 с перегородкой 1320 и смеситель 1330 . Выхлоп дизельного двигателя 1302 поступает в смесительную трубу 1310 перед компонентом перегородки 1320 и проходит через смесительную камеру 1300 в смеситель 1330 . Смесительная трубка 1310 включает в себя дозатор DEF 1315 , расположенный между перегородкой 1320 и смесителем 9.0006 1330 . Дозатор DEF 1315 предназначен для впрыскивания распыленного DEF 1316 в выхлопные газы дизельного топлива 1302 , протекающие по смесительной трубе 1310 от дефлектора 1320 к смесителю 303009 0. Дозатор DEF 1315 расположен после компонента перегородки 1320 , а смеситель 1330 расположен после дозатора DEF 1315 . В варианте осуществления, изображенном на фиг. 13А, дозатор DEF 1315 выполнен с возможностью впрыска распыленного DEF из боковой стенки 1313 смесительной трубы 1310 . Компонент 1320 дефлектора включает в себя множество дефлекторов 1321 , которые предназначены для увеличения углового момента выхлопных газов 1302 дизельного двигателя, протекающих через смесительную трубу 1310 . Увеличение углового момента выхлопа дизеля 1302 перед дозатором DEF 1315 увеличивает время пребывания выхлопа дизеля 1302 в смесительной трубе 1310 между дозатором DEF 1315 и смесителем 1330 и повышает эффективность смешивания распыленного DEF 1316 в выхлопе дизеля 1307 . В варианте осуществления, изображенном на фиг. 13А, компонент перегородки , 1320, и смеситель , 1330, расположены по существу соосно со смесительной трубой.

РИС. 13B-13D изображают варианты исполнения компонентов перегородки 1322 , 1323 и 1324 соответственно, которые можно использовать в соответствии со смесительной камерой 1300 , изображенной на ФИГ. 13А. Из трех компонентов перегородки 1322 , 1323 и 1324 , Перегородный компонент 1322 имеет наибольшее количество перегородков 1321 и перегородка 1324 имеет наибольшее количество ударов 1321 . Перегородки 1321 в компоненте перегородки 1324 могут иметь больший угол, чем перегородки 1321 в компоненте перегородки 1322 , поскольку перегородки 1321 в компоненте перегородки 1324 расположены дальше друг от друга. Напротив, перегородки 1321 в компоненте перегородки 1322 могут оказывать большее влияние на поток выхлопных газов дизельного двигателя, чем перегородки 1321 в компоненте перегородки 1322 , поскольку перегородки 1321 1321 10009 являются компонентом перегородки 6 2031 10009. расположены ближе друг к другу. Возвращаясь к фиг. 13А, количество перегородок 1321 и угол наклона дефлекторов 1321 в компоненте дефлектора 1320 влияют на линейную скорость вдоль оси смесительной трубы 1310 и угловой момент вокруг оси смесительной трубы дизельного выхлопа который проходит через компонент перегородки 1320 . Количество перегородок 1321 и угол наклона перегородок 1321 можно выбрать для оптимизации эффективности смешивания распыленного DEF 9.0006 1316 в выхлопе дизеля 1302 перед выхлопом дизеля 1302 до смесителя 1330 . В одном варианте осуществления угол перегородок меньше или равен примерно 30°. В другом варианте количество перегородок больше или равно восьми и меньше или равно двадцати шести.

Любой из вышеизложенных вариантов смесительных камер и их вариантов можно использовать в способе обработки выхлопных газов дизельных двигателей. ИНЖИР. 14 изображен пример способа 1400 обработки выхлопных газов дизельных двигателей. В блоке 1402 выхлоп дизельного топлива вводится из одной или нескольких вводных труб в смесительную трубу. Дизельный выхлоп может быть вставлен рядом с первым концом смесительной трубы. Смесительная труба выполнена с возможностью прохождения выхлопных газов дизельного топлива от первого конца ко второму концу смесительной трубы. Дизельный выхлоп может быть введен в смесительную трубу таким образом, что дизельный выхлоп, поступающий в смесительную трубу, имеет угловой момент относительно продольной оси смесительной трубы. Поперечное сечение смесительной трубы, перпендикулярное продольной оси смесительной трубы, больше, чем поперечное сечение одной или нескольких вставных труб, перпендикулярное оси одной или нескольких вставных труб, так что давление в выхлопных газах дизельного двигателя падает по мере того, как дизельный выхлоп проходит из одной или нескольких вводных труб в смесительную трубу. В блоке 1404 , распыленная жидкость для выхлопных газов дизельных двигателей (DEF) впрыскивается в выхлопные газы дизельных двигателей, протекающие от первого конца ко второму концу смесительной трубы. В блоке 1406 распыленный DEF преобразуется в газообразный аммиак, и газообразный аммиак вводится в выхлоп дизельного двигателя с помощью смесителя, соединенного со вторым концом смесительной трубы. Способ , 1400, , изображенный на фиг. 14, могут быть изменены любыми другими признаками или функциями, описанными здесь.

Принципы, репрезентативные варианты осуществления и режимы работы настоящего раскрытия были описаны в предшествующем описании. Однако аспекты настоящего раскрытия, которые должны быть защищены, не должны рассматриваться как ограниченные конкретными раскрытыми вариантами осуществления. Кроме того, описанные здесь варианты осуществления следует рассматривать как иллюстративные, а не ограничительные. Следует понимать, что вариации и изменения могут быть сделаны другими и использованы эквиваленты, не отступая от сущности настоящего раскрытия. Соответственно, явно подразумевается, что все такие вариации, изменения и эквиваленты соответствуют духу и объему настоящего раскрытия, как заявлено.

Что произойдет, если залить бензин в дизельный двигатель? – Rx Mechanic

Вы когда-нибудь задумывались, что произойдет, если залить бензин в дизельный двигатель? Или, может быть, вы были жертвой этого деяния раньше, и вы испытываете последствия на своей шкуре (не вините себя или своего водителя, это случается часто). В любом случае, смешивание бензина и дизельного топлива в автомобиле может вызвать головную боль и привести к катастрофическим повреждениям двигателя.

Случайное смешивание бензина и дизельного топлива является распространенной ошибкой, о которой можно подумать, особенно на заправочной станции, где бензиновые и дизельные насосы расположены рядом друг с другом.

В этой статье мы подробно обсудим возможные последствия смешивания обоих видов топлива в автомобиле и способы проверки наличия газа в дизельном топливе.

Что произойдет, если смешать бензин и дизельное топливо?

Если у вас есть автомобиль и вы достаточно долго работаете с топливом, возможно, вы смешали эти два вида топлива. Смешивать бензин и дизельное топливо не рекомендуется, и это не обязательно будет большой проблемой, как всегда предполагалось.

Но вопрос в том, сколько ты вложил? Не повредит ли дизельному двигателю немного бензина? Давай выясним.

Влияние бензина на дизельный двигатель

Если вы вовремя заметите эту проблему, возможно, вы сможете спасти свой двигатель от серьезных повреждений. С другой стороны, если вы продолжаете ездить в течение длительного времени со смешанным или неправильным топливом в баке для дизельного топлива, вы можете испытать описанные ниже эффекты.

• Без воспламенения: Дизельные двигатели не предназначены для воспламенения бензинового топлива, а бензиновые двигатели не предназначены для автоматического воспламенения топлива. (Для воспламенения топлива требуется искра). Поэтому, когда вы заливаете бензин в дизельный двигатель, искры для его воспламенения не будет. Если случайно произойдет воспламенение, так как смешаны оба топлива, этого будет слишком мало для бесперебойной работы двигателя.
• Черный дым: Минимальная температура, необходимая для воспламенения бензина, составляет -40 градусов по Цельсию, а дизеля — 52 градуса по Цельсию, поэтому бензину будет трудно воспламениться в дизельном двигателе. Это приведет к огромному количеству несгоревшего топлива.
• В результате большого количества несгоревшего топлива из выхлопной трубы будет идти много черного дыма. Этот дым будет выглядеть неловко и плохо пахнет. Если долго его игнорировать, то из-за нагара он забьет различные датчики топливной системы.
• Повреждение ударной волной: В дизельных и бензиновых двигателях имеется несколько движущихся компонентов и деталей, таких как поршни, шатуны, распределительные валы, коленчатый вал, толкатели и поршневые пальцы. Если произойдет необычная детонация, ударная волна может повредить эти детали двигателя. Это также может вызвать детонацию двигателя.
• Повреждение топливной системы: Если бензин попадет в бак для дизельного топлива, это вызовет повреждение топливного насоса, форсунок и топливных фильтров. Это основные компоненты дизельной топливной системы. Если они не работают должным образом, вам необходимо заменить все компоненты топливной системы для достижения максимальной производительности.
• Недостаточная смазка: Многим людям неясно, что дизельное топливо — это своего рода «масло», которое смазывает компоненты двигателя, а бензин — растворитель. Поэтому, если в дизель залить бензин, это приведет к недостатку смазки.
• Если вы задавались вопросом, что произойдет, если вы заправите бензином дизельный двигатель или грузовик, ответом будет контакт металла с металлом из-за недостаточной смазки. Когда металлы трутся друг о друга, это может привести к повреждению компонентов поршневого двигателя.
• Повреждения двигателя: Если вы вовремя заметили, что по ошибке залили бензин в дизельный двигатель, вы можете спасти свой двигатель до того, как повреждения станут неремонтопригодными. Но если вы продолжите ездить с ним в течение длительного времени, вы можете повредить все компоненты двигателя. А, как известно, автомобильный двигатель является одним из самых дорогих компонентов в транспортном средстве.

Воздействие дизельного топлива на бензиновый двигатель

Так как бензин в дизельном двигателе может привести к катастрофическим повреждениям двигателя, если оставить его на длительное время, дизельное топливо в бензиновом двигателе также вызовет повреждения. Тем не менее, ущерб невелик, потому что это не так плохо по сравнению с воздействием бензина на дизельный двигатель. (Это не означает, что вы должны смешивать топливо).

Форсунки большинства дизельных заправок обычно больше бензиновых; они вряд ли поместятся. Это делает менее распространенным случайную установку дизельного топлива в бензиновый двигатель.

Повреждения топливной системы и заглушки: Поскольку бензиновые топливные системы предназначены для транспортировки бензина, заправка в них неподходящего типа топлива в конечном итоге приведет к преждевременному выходу из строя топливного насоса, топливного фильтра и форсунок. Со временем эти компоненты приходят в негодность и требуют замены всех компонентов топливной системы.

Плохое зажигание/отсутствие зажигания: Дизель в бензиновом двигателе вызывает плохое зажигание. Это верно; даже в реале бензин воспламеняется быстрее солярки.

Автомобиль не заводится:   Большое количество дизельного топлива в бензиновом двигателе в конечном итоге не позволит вашему автомобилю завестись. Если ваш автомобиль не заводится из-за дизельного топлива в вашей бензиновой топливной системе, лучший способ исправить это — слить смешанное топливо и заправить его бензиновым топливом.

Часто задаваемые вопросы:

В: Что делать, если вы заправляете дизельный двигатель газом?

Если вы по ошибке залили бензин в дизельный двигатель или дизельное топливо в бензиновый двигатель, возможно, вы ищете быстрое решение для бензина в дизельном двигателе. Вот что делать, если вы смешиваете оба типа топлива.

Не запускайте автомобиль: запуск автомобиля может привести к серьезному повреждению двигателя. Вместо того, чтобы заводить машину, выньте ключи из замка зажигания.

Отвести машину в безопасную зону: =Если вы все еще находитесь на заправочной станции, когда заметите это, переведите машину в нейтральное положение, попросите кого-нибудь помочь вам и оттолкните ее в безопасную зону.

Позвоните своему механику: После того, как вы загнали машину в безопасную зону, позвоните своему механику, чтобы доставить ее в гараж. Они должны слить неправильное топливо и залить правильное. Убедитесь, что они заправляют достаточно топлива, чтобы вы продолжали движение.

В: Что может быть хуже дизельного топлива в бензобаке?

Если вы случайно залили дизельное топливо в бензобак, двигатель будет работать ровно до тех пор, пока не израсходуется весь бензин в магистрали. В этот момент двигатель будет работать вяло или заглохнет. Бензиновые двигатели предназначены для сжигания бензина, поэтому двигатель может запуститься, но не будет работать, или может вообще не запуститься.

В: Не повредит ли дизельному двигателю небольшое количество бензина?

Все зависит от количества. Так можно ли разбавлять дизель бензином? 1% газа в дизельном двигателе не может причинить вреда. Однако большее количество газа в дизельном топливе может привести к катастрофическим повреждениям двигателя. Это связано с тем, что больший объем не менее 5% будет преждевременно воспламеняться во время цикла сгорания.

В: Почему бензиновые двигатели лучше дизельных?

В целом дизельные двигатели мощнее бензиновых. Это связано с тем, что дизельные двигатели несут больше энергии, чем бензиновые; кварта дизельного топлива имеет на 30% больше энергии, чем бензин. Дизельные двигатели обеспечивают больший крутящий момент, чем бензиновые.

Дизельные двигатели также превосходят бензиновые и обеспечивают лучшую топливную экономичность. Тогда чем бензиновые двигатели лучше дизельных? Дизельные двигатели страдают от проблем с производительностью, когда вы заливаете дизельное топливо черного цвета, биодизельное топливо или любой тип улучшенного дизельного топлива. Это может привести к повреждению инжекторного насоса и форсунок, а эти компоненты очень дороги.

Еще одна причина, по которой люди отдают предпочтение бензиновым двигателям, заключается в том, что трудно отличить хорошо очищенное дизельное топливо от черного и биодизеля.

В: Как отличить бензин от дизеля?

Дизельное и бензиновое топливо имеют разные цвета. Если вы не можете различить цвета, просто понюхайте их. У них другой запах, если вы не можете отличить по запаху, погрузите в них пальцы. Дизель более маслянистый, в то время как бензин быстро испаряется, и пальцы остаются холодными и белыми.

В: Можно ли налить дизельное топливо в контейнер, в котором раньше был бензин?

Небольшое количество дизельного топлива не помешает правильному сгоранию бензина. На плавность работы двигателя это никак не повлияет. Однако, прежде чем использовать контейнер, убедитесь, что вы вылили в него весь бензин.

В: Сколько стоит смыть дизельное топливо из машины?

В зависимости от марки и модели вашего автомобиля и количества дизельного топлива в газовой топливной системе вы можете потратить от 400 до 1000 долларов на промывку топливной системы, которая необходима для спасения вашего двигателя от катастрофических повреждений.

Заключительные мысли

Теперь, когда мы выяснили, что происходит, если заправить дизельный двигатель бензином, крайне важно принять меры предосторожности. Если вы случайно смешаете эти виды топлива, не заводите автомобиль. Обратитесь к механику или в дилерский центр, чтобы оплатить автомобиль. Механик должен полностью слить и промыть топливную систему, чтобы вернуть ваш автомобиль на дорогу.

Топ-13 смесей, полученных из биомассы, для двигателей с воспламенением от сжатия (дизельных двигателей) с регулируемым смешиванием: биосмеси с потенциалом снижения выбросов и улучшенными эксплуатационными характеристиками (технический отчет)


Гаспар, Дэниел Дж., Мюллер, Чарльз Дж., Маккормик, Роберт Л., Мартин, Джонатан, Сом, Сибенду, Маньотти, Джина М., Бертон, Джонатан, Вардон, Дерек, Дагл, Ванесса, Аллеман, Тереза ​​Л., Хук, Набила, Радди, Даниэль А., Арельяно-Тревино, Марта, Ландера, Александр, Джордж, Анте, Фиорони, Джина, Сандстром, Эрик Р., Оксен, Итан, Торсон, Майкл Р., Халлен, Ричард Т., Шмидт, Эндрю Дж., Поликарпов, Евгений, Монро, Эрик, Карлсон, Джозеф, Дэвис, Райан В., Саттон, Эндрю, Мур, Кэмерон М., Козимбеску, Лелия, Рамасами, Картикеян Каллупалаям, Касс, Майкл Д., Хокинс , Трой Р., Сингх, Авантика, Бартлинг, Эндрю, Бенавидес, Пахола Т., Филлипс, Стивен Д., Кай, Хао, Цзян, Юань, Оу, Лонгвен, Талмадж, Майкл, Карлсон, Николас, Займес, Грег, Вятровски , Мэтью, Чжу, Юньхуа и Сноуден-Сван, Лесли Дж. 9. США: Н. П., 2021.
Веб. дои: 10.2172/1806564.

Копировать в буфер обмена


Гаспар, Дэниел Дж., Мюллер, Чарльз Дж., Маккормик, Роберт Л., Мартин, Джонатан, Сом, Сибенду, Маньотти, Джина М., Бертон, Джонатан, Вардон, Дерек, Дагл, Ванесса, Аллеман, Тереза ​​Л., Хук, Набила, Радди, Даниэль А., Арельяно-Тревино, Марта, Ландера, Александр, Джордж, Анте, Фиорони, Джина, Сандстром, Эрик Р., Оксен, Итан, Торсон, Майкл Р., Халлен, Ричард Т., Шмидт, Эндрю Дж., Поликарпов, Евгений, Монро, Эрик, Карлсон, Джозеф, Дэвис, Райан В., Саттон, Эндрю, Мур, Кэмерон М., Козимбеску, Лелия, Рамасами, Картикеян Каллупалаям, Касс, Майкл Д., Хокинс , Трой Р., Сингх, Авантика, Бартлинг, Эндрю, Бенавидес, Пахола Т., Филлипс, Стивен Д., Кай, Хао, Цзян, Юань, Оу, Лонгвен, Талмадж, Майкл, Карлсон, Николас, Займес, Грег, Вятровски , Мэтью, Чжу, Юньхуа и Сноуден-Сван, Лесли Дж. 9. Соединенные Штаты. https://doi. org/10.2172/1806564

Копировать в буфер обмена


Гаспар, Дэниел Дж., Мюллер, Чарльз Дж., Маккормик, Роберт Л., Мартин, Джонатан, Сом, Сибенду, Маньотти, Джина М., Бертон, Джонатан, Вардон, Дерек, Дагл, Ванесса, Аллеман, Тереза ​​Л., Хук, Набила, Радди, Даниэль А., Арельяно-Тревино, Марта, Ландера, Александр, Джордж, Анте, Фиорони, Джина, Сандстром, Эрик Р., Оксен, Итан, Торсон, Майкл Р., Халлен, Ричард Т., Шмидт, Эндрю Дж., Поликарпов, Евгений, Монро, Эрик, Карлсон, Джозеф, Дэвис, Райан В., Саттон, Эндрю, Мур, Кэмерон М., Козимбеску, Лелия, Рамасами, Картикеян Каллупалаям, Касс, Майкл Д., Хокинс , Трой Р., Сингх, Авантика, Бартлинг, Эндрю, Бенавидес, Пахола Т., Филлипс, Стивен Д., Кай, Хао, Цзян, Юань, Оу, Лонгвен, Талмадж, Майкл, Карлсон, Николас, Займес, Грег, Вятровски , Мэтью, Чжу, Юньхуа и Сноуден-Сван, Лесли Дж. 2021 г.
«13 лучших смесей, полученных из биомассы, для двигателей с воспламенением от сжатия (дизелей) с регулируемым смешиванием: биосмеси с потенциалом снижения выбросов и улучшенной работоспособностью». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/1806564. https://www.osti.gov/servlets/purl/1806564.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_1806564,
title = {13 лучших смесей, полученных из биомассы, для двигателей с регулируемым смешиванием и воспламенением от сжатия (дизельных двигателей): биосмеси с потенциалом снижения выбросов и улучшенной работоспособностью},
автор = {Гаспар, Дэниел Дж. и Мюллер, Чарльз Дж. и Маккормик, Роберт Л. и Мартин, Джонатан и Сом, Сибенду и Маньотти, Джина М. и Бертон, Джонатан и Вардон, Дерек и Дагл, Ванесса и Аллеман, Тереза Л. и Хук, Набила и Радди, Даниэль А. и Арельяно-Тревино, Марта и Ландера, Александр и Джордж, Анте и Фиорони, Джина и Сандстром, Эрик Р. и Оксен, Итан и Торсон, Майкл Р. и Халлен, Ричард Т. и Шмидт, Эндрю Дж. и Поликарпов, Евгений и Монро, Эрик и Карлсон, Джозеф и Дэвис, Райан В. и Саттон, Эндрю и Мур, Кэмерон М. и Козимбеску, Лелия и Рамасами, Картикеян, Каллупалаям и Касс, Майкл Д. ..и Хокинс, Трой Р. и Сингх, Авантика и Бартлинг, Эндрю и Бенавидес, Пахола Т. и Филлипс, Стивен Д. и Кай, Хао и Цзян, Юань и Оу, Лонгвен и Талмадж, Майкл и Карлсон, Николас и Займес, Грег и Вятровски, Мэтью и Чжу, Юньхуа и Сноуден-Сван, Лесли Дж.},
abstractNote = {Снижение воздействия наземного транспорта средней и большой грузоподъемности (MD/HD) может быть обеспечено за счет комбинации топливного двигателя, в которой используется жидкое топливо с более низким воспламенением от сжатия и сокращаются выбросы загрязняющих веществ. Топливо и смеси в сочетании с передовыми технологиями двигателей могут снизить стоимость владения и выбросы загрязняющих веществ, включая сажу, оксиды азота (NOx) и парниковые газы (ПГ), от транспортных средств MD/HD. В этом отчете описывается оценка и скрининг биотоплива MD/HD с регулируемым воспламенением от сжатия (MCCI) для дальнейшей разработки и коммерциализации. Отчет предназначен для 1) исследователей биотоплива, стремящихся лучше понять варианты снижения выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов по критериям при сохранении эффективности и соответствия требованиям к работоспособности двигателя, и 2) исследователей двигателей, которые хотят оценить биотопливо, соответствующее свойствам дизельного топлива, с точки зрения его воздействия на обычные и передовые стратегии сжигания дизельного топлива. },
дои = {10.2172/1806564},
URL = {https://www.osti.gov/biblio/1806564},
журнал = {},
номер =,
объем = ,
место = {США},
год = {2021},
месяц = ​​{7}
}


Копировать в буфер обмена

Смешивание моторных масел и все, что с этим связано

Можно ли смешать моторные масла двух разных типов, чтобы получить собственную вязкость? Можно ли смешивать два моторных масла одинаковой вязкости? Как насчет смешивания разных марок моторного масла или смешивания обычного и синтетического масла? Можно ли смешивать моторные масла для бензиновых и дизельных двигателей? Поговорим обо всем, что касается смешивания моторного масла.

Во-первых, читатель спрашивает: Я ищу моторное масло для двигателя моего гоночного автомобиля из серии Dominator. Но хотелось бы что-то между продуктами 10W-30 и 15W-50, которые предлагаются. Могу ли я смешать Dominator 10W-30 и 15W-50, чтобы получить (примерно) 12W-40? Это работает?

Ответ: Смешивание моторного масла двух разных весов для получения собственной вязкости не так просто, как кажется. Есть пара неизвестных и даже некоторые потенциальные осложнения, которые необходимо учитывать.

Поскольку формула присадок, используемая для создания каждой вязкости (в данном случае 10W-30 и 15W-50), может использовать различный химический состав, просто невозможно спрогнозировать, насколько хорошо смесь будет работать на самом деле и насколько долговечна масляная смесь. будут затронуты.

В то время как вязкость смеси может привести к получению моторного масла где-то в диапазоне SAE 40, где окажется «W» (зимняя вязкость), остается только гадать. Опять же, для «наращивания» вязкости моторного масла можно использовать разные химические вещества, поэтому смешивание двух масел с разными диапазонами вязкости вряд ли даст желаемый результат.

Другой неопределенностью является устойчивость к сдвигу смеси двух разных весов. Поскольку химический состав двух масел может различаться, невозможно предсказать, насколько хорошо смесь выдержит силы сдвига и экстремальные температуры. Хотя это не может быть катастрофой, более безопасным выбором будет использование одного типа моторного масла, разработанного для обеспечения наилучших результатов.

Мы рекомендуем использовать Dominator 10W-30 или 15W-50 отдельно. Если вы настаиваете на использовании масла SAE 40, обратите внимание на моторное масло AMSOIL Synthetic Premium Protection 10W-40.

В крайнем случае можно долить моторное масло до уровня масла с другим диапазоном вязкости. Возможно, это не конец света, но мы не одобряем практику приготовления собственной формулы моторного масла для полных интервалов замены масла и особенно не для гоночных целей.

Можно ли смешивать моторные масла одинаковой или близкой вязкости?

Как насчет смешивания 5W-30 и 10W-30 в двигателе вашего автомобиля? Это лучше, чем смешивать два совершенно разных сорта, поскольку оба имеют вес SAE 30. Но поскольку зимние веса разные, это может не быть большой проблемой (но также может быть и не оптимальным). Добавление 10W-30 к 5W-30 должно подойти для доливки, но не идеально для полного межсервисного интервала.

Как насчет смешивания моторных масел разных марок?

Например, предположим, что вы используете в своем двигателе масло Quaker State 5W-30 и по какой-то причине вам необходимо долить масло во время длительной поездки, а доступно только Valvoline 5W-30. Это совершенно нормально в ситуации, когда вам нужно долить масло, а доступно только масло другой марки. Опять же, поскольку эти масла могут иметь немного различный химический состав, лучше не смешивать масла двух марок в течение всего интервала замены масла.

Можно ли смешивать синтетическое и обычное масло?

При переходе на синтетическое масло в вашем двигателе может остаться некоторое количество обычного масла, и это не проблема. Смесь синтетического масла и обычного масла не вызовет никаких химических разногласий в вашем двигателе.

Но когда дело доходит до смешивания в больших количествах, здесь также должны применяться те же предостережения, что и при смешивании брендов. В игре могут быть различные химические присадки, поэтому добавление обычного моторного масла в синтетическое масло (и наоборот) подходит для доливки. Как указано в литературе AMSOIL для их синтетических масел, добавление обычного масла в синтетические масла с длительным сроком службы сократит срок их службы.

Можно ли смешивать масло для дизельных двигателей и масло для бензиновых двигателей?

В то время как бензиновые и дизельные моторные масла для тяжелых условий эксплуатации выполняют схожие функции, условия эксплуатации дизельных и бензиновых двигателей совершенно разные. Большинство масел для дизельных двигателей соответствуют отраслевым спецификациям для бензиновых двигателей, но большинство масел для бензиновых двигателей НЕ подходят для дизельных двигателей. Они просто не приспособлены для работы с сажей и высоким давлением мощных дизельных двигателей.

Исключением являются некоторые моторные масла для тяжелых условий эксплуатации, предназначенные как для дизельных, так и для бензиновых двигателей, а также некоторые европейские формулы, предназначенные для бензиновых или дизельных автомобилей.

Таким образом, вы можете заправлять бензиновый автомобиль или грузовик дизельным моторным маслом при условии, что оно соответствует надлежащим отраслевым спецификациям.