Повышение экономичности современного дизеля

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 12Следующая ⇒

Проблема улучшения топливной экономичности и экологических показателе дизелей может быть решена повышением давлений и объемной скорости впрыск топлива, сокращением продолжительности подачи топлива и процесса сгорания т.е. модернизацией топливных систем дизелей, обеспечивающих улучшение смесеобразования и сгорания на всех режимах работы как на дизельном топливе, так и на тяжелых сортах углеводородных топлив. Проблема решается за счет оптимизации формы камеры сгорания и впускных и выпускных каналов в головке блока цилиндров эффективного управления углом опережения впрыска топлива, настройки систем турбонаддува путем согласования характеристик дизеля и турбокомпрессора, регулирования теплового состояния двигателя, интенсификации процесса сгорания, снижения механических потерь, применения электронных систем управления дизелем использования добавок и присадок к дизельному топливу, применения биотоплив, перевода дизеля на газообразное топливо и др. Внедрение результатов научных исследований в производство транспортных дизелей позволило снизить удельный расход топлива на номинальном режиме работы. Это снижение в однокамерных дизелях отражено в табл. 3 (расход топлива в г/кВтч).

Таблица 3.

Тип дизеля	Годы

ВОД	258-204	232-188	231-182	225-177	220-175
ДПО	218-199	205-188	200-182	195-166	190-160
СОД	218-199	204-176	195-165	193-160	190-158

Ниже рассмотрены и проанализированы различные пути и методы снижения удельного расхода топлива в транспортных дизелях.

2 Интенсификация процесса сгорания

Важнейшей характеристикой процесса сгорания, влияющей на его эффективность, является продолжительность сгорания, определяющая своевременность выделения теплоты по углу ПКВ. На общую продолжительность сгорания и уровень тепловых потерь существенное влияние оказывает интенсивность выгорания топлива в основном периоде. Роль основного периода сгорания состоит в формировании экономических и эффективных показателей цикла.

Потери теплоты на диссоциацию продуктов сгорания в дизеле незначительны по сравнению с потерями теплоты в стенки камеры сгорания. Потери теплоты вследствие неполноты сгорания топлива зависят от концентрации окислителя в зоне горения, т.е. отсостава топливовоздушной смеси.

Экспериментально установлено, что на продолжительность сгорания доминирующее влияние оказывают: частота вращения коленчатого вала дизеля n и коэффициент избытка воздуха альфа. Влияние других параметров (давление и температура воздуха на впуске, начало подачи топлива) оказалось не столь существенным.

Анализ индикаторных диаграмм позволил сделать следующие выводы:

• увеличение альфа способствует повышению коэффициента эффективности сгорания £.

• наибольшая интенсивность изменения £ наблюдается при более богатых топливовоздушных смесях (при повышенных нагрузках дизеля);

• с повышением n при неизменных значениях альфа коэффициент £ возрастает вследствие уменьшения времени на осуществление процесса сгорания и соответствующего снижения тепловых потерь в стенки камеры сгорания;

• потери тепла за процесс сгорания пропорциональны времени выгорания топлива;

• отмеченные закономерности качественно идентичны для всех исследованных дизелей.

3 Камера сгорания, которая одновременно обеспечивает снижение расхода топлива и токсичных выбросов с ОГ дизеля. Эта цель достигнута за счет повышения локальной турбулизации заряда в зонах скопления топлива и использования катализатора на поверхностях турбулизаторов воздушного заряда в КС. Выбор катализатора производился с учетом каталитической активности и стойкости к окислению при высоких температурах. Этим требованиям удовлетворяет катализатор MoSi, кроме того, молибден обладает легирующим воздействием на алюминий. Каталитическое воздействие обеспечивается слоем катализатора толщиной в один атом. Такой слой может быть нанесен способом корпускулярного легирования. Недостаток данного способа - сравнительно высокая стоимость установки.

В результате экспериментальных исследований сделаны выводы:

• локальная турбулизация заряда у стенок цилиндрической КС улучшает топливную экономичность дизеля ЧН 14/14 при работе по нагрузочной характеристике на 4, 5-10 г/кВт-ч.;

• повышенная турбулизация рабочего заряда совместно с воздействием катализатора MoSi2, нанесенного на поверхности турбулизаторов, позволяет снизить выбросы СН с ОГ дизеля на 31-62%. Максимальное снижение выбросов NO, составило 31%;

• с целью дальнейшего повышения показателей дизеля необходимо согласование характеристик турбулентности воздушного заряда с параметрами топливоподачи.

4 Совершенствование топливной аппаратуры

Топливная экономичность дизелей во многом определяется конструкцией топливной аппаратуры (ТА) и использованием современных электронных систем управления (ЭСУ) топливоподачей. Наибольший вклад в развитие систем топливоподачи с применением ЭСУ внесли следующие ведущие зарубежные фирмы: «Bosch» (ФРГ), «Lucas CAV» (Великобритания), «Cummins» (США) и др.

Развитие конструкции ТА для высокооборотных дизелей осуществляется по следующим направлениям:

• совершенствование традиционной ТА (моноблочной и распределительного типа) с регулированием угла опережения впрыска с помощью подвижной отсечной втулки;

• создание нового поколения индивидуальных (для каждого цилиндра) малогабаритных систем топливоподачи раздельного типа (столбиковых ТНВД с коротким нагнетательным трубопроводом);

• создание нового поколения насос - форсунок;

• разработка аккумуляторных систем топливоподачи (типа Common Rail);

• создание форсунок с уменьшенными размерами и массой (карандашного типа), а также с уменьшенным подыгольным объемом (вплоть до нулевого);

• разработка двухпружинных форсунок, обеспечивающих двухфазный впрыск топлива.

5 Применение новых топливных систем аккумуляторного типа

Ведущие зарубежные дизелестроительные фирмы разрабатывают принципиально новые топливные системы аккумуляторного типа. Такие системы позволяют существенно облегчить компоновку двигателя за счет упрощения конструкции ТНВД и обеспечить гибкое управление всеми параметрами впрыска топлива. За рубежом аккумуляторная система называется Common Rail.

Примером такой системы является топливная система Common Rail, разработанная фирмами «Fiat» (Италия) и «Bosch» (ФРГ) для малолитражных ВОД. Она обеспечивает подачу топлива до 100 мм³ в диапазоне оборотов от 100 до 6000 мин" ¹ при давлениях впрыска от 15 до 130 МПа, гибкое регулирование угла опережения впрыска, подачу предварительной дозы топлива и равномерность подачи топлива по цилиндрам и по отдельным циклам.

Топливная система Common Rail состоит из следующих основных элементов:

• ТНВД непрерывного или импульсного действия;

• топливный аккумулятор (общий топливный коллектор высокого давления);

• комплект электрогидравлических форсунок (по числу цилиндров) с быстродействующими электромагнитными клапанами;

• датчик давления топлива в аккумуляторе;

• топливоподкачивающий насос;

• регулятор давления топлива в аккумуляторе, изменяющий производительность ТНВД;

• электронная система управления, использующая микропроцессорные блоки и называемая обычно микроконтроллером (МК);

• датчики положения коленчатого и распредвалов, нагрузки и др.

6 Разделенный впрыск топлива

Актуальной становится проблема многоцелевого совершенствования тракторных дизелей, однако решение ее сдерживается трудностями нахождения компромиссных решений. Ограничение р_г сопровождается ухудшением топливной экономичности; обеспечение высокой экономичности приводит к увеличению выбросов NO_X с ОГ; увеличение литровой мощности ограничивается ростом тепловой напряженности деталей и т.д. В этой связи следует вспомнить о разделенном впрыске, особенностью которого является переход от самовоспламенения к управляемому воспламенению основной порции топлива запальной дозой, подаваемой в цилиндр с опережением и предпламенной подготовкой.

Приведенные результаты исследований свидетельствуют о том, что разделенный впрыск топлива является эффективным способом многоцелевого совершенствования дизеля, который может быть успешно реализован в отечественном дизелестроении. Реализация разделенного впрыска со значительным разнесением по углу поворота коленчатого вала моментов начала подачи запальной и основной порций топлива позволяет упростить требования к ТА. Раздельный впрыск осуществляется простыми конструктивными средствами, например, с помощью специального кулачка с двумя разновысокими выступами.

7 Применение электроуправляемой гидроприводной насос - форсунки

Основные выводы:

• ЭГНФ позволяет получить более высокие средние давления впрыска, показал независимость их от частоты вращения и возможность управления формой характеристики впрыска;

• анализ рабочего процесса аккумуляторной топливной системы с ЭГНФ позволил установить количественные связи между конструктивными параметрами ЭГНФ и параметрами впрыска топлива;

• показано, что основной недостаток ЭГНФ предварительного дозирования, заключающийся в невысоких давлениях в начале впрыска, может быть устранен встроенным в ЭГНФ узлом задержки, выполненным в виде клапана с прецизионным пояском;

• аккумуляторная топливная система с ЭГНФ позволяет обеспечить высокие средние давления впрыска топлива (до 100 МПа и выше) при незначительном превышении максимальных давлений топлива в корпусе насос-форсунки над средними давлениями впрыска (на 40-45%);

• конструкция аккумуляторной топливной системы с трехклапанной ЭГНФ предварительного дозирования позволяет управлять формой характеристики впрыска, включая формирование двойного и ступенчатого впрыска топлива, и существенно сократить время наполнения.

8 Применение электронных систем управления топливоподачей

Технический уровень дизелей в значительной степени обусловлен параметрами и характеристиками топливной аппаратуры (ТА). Одним из элементов ТА является регулятор частоты вращения, который поддерживает требуемый скоростной режим, дозируя подачу топлива в цилиндры двигателя в зависимости от нагрузки. Совершенствование механических регуляторов достигло своих пределов, поэтому возникла необходимость создания электронных систем автоматического управления топливоподачей дизелей, которое явилось качественно новым этапом в развитии ДВС.

Развитие технологии производства электроники, в том числе микропроцессорной, приводит к постоянному улучшению характеристик электронных элементов и снижению их стоимости, что стимулирует внедрение электроники в серийное производство дизелей. Опыт эксплуатации ЭСУ свидетельствует об их надежности и удобстве обслуживания. Повсеместно отмечается повышение экономичности дизелей, снижение токсичности и дымности ОГ, уменьшение шумности, улучшение других параметров двигателей.

9 Повышение степени сжатия и максимального давления сгорания

Анализ параметров длинноходных судовых СОД показывает, что улучшение их топливной экономичности произошло в результате повышения степени сжатия е до 14, 0-16, 0 и максимального давления сгорания до 14, 5-15, 5 МПа (иногда до 18-20 МПа).

Для всех СОД сохраняется оптимальное отношение 7-10 как необходимая предпосылка достижения низких значений ge.

Большой интерес вызывает новый четырехтактный СОД Wartsila 64, который имеет следующие параметры: D = 640 мм, S = 900 мм, S/D = 1, 41, n = 333, 3 мин^-1; с = 10, 0 м/с, ре = 25, 0 бар, Ne цил = 2010 кВт, pz = 190 бар, е = 16, 0, i = 5-9 (рядное). При V-образном расположении цилиндров (i = 12, 16, 20), S = 770 мм, S/D = 1, 20; n = 428, 6 мин^-1; с = 11 м/с; рс = 22, 0 бар; Ne цил = 1940 кВт; pz = 190 бар и е = 16, 0.

Максимальное давление сгорания pz в дизелях фирмы Wartsila увеличивалось с 75 бар в 1960 г. до 250 бар в 2000 г. за счет улучшения конструкции и технологии изготовления поршневых колец, подачи смазки к юбке поршня под давлением и применения антинагарного кольца в верхней части втулки цилиндра. Интересна конструкция ТНВД у дизеля Wartsila 46. Насос состоит из двух секций: один плунжер регулирует угол опережения впрыска топлива, второй - цикловую подачу топлива. Таким образом обеспечиваются оптимальные параметры впрыска топлива при разных нагрузках и при различных качествах топлива. Давление впрыска топлива доходит до 2000 бар. Крышка цилиндра имеет очень большие проходные сечения каналов для впуска воздуха в цилиндр и выпуска ОГ, что увеличивает коэффициент наполнения и индикаторный КПД дизеля.

Дизель Wartsila 64 является самым мощным и экономичным среди четырехтактных СОД. Его минимальный удельный расход топлива 166 г/кВт-ч, при этом Nе = 0, 51.

Другим важным фактором, влияющим на ge и выброс токсичных газов с ОГ, является степень сжатия е. Давно известно, что ge можно снизить за счет увеличения е. Кроме того, рост е благоприятно сказывается на самовоспламенении тяжелого топлива в СОД. Для повышения е современные СОД фирмы МаК являются длинноходными (S/D = 1, 2+1, 4). Увеличение отношения S/D приводит к росту механического КПД, а значит и к снижению ge.

Последняя модель СОД фирмы МаК дизель М43 (D = 430 мм, 8 = 610 мм,

N_e _цил = 900 кВт) при испытании на стенде показала удельный расход топлива 175 г/кВт-ч и расход масла на угар 0, 6 г/кВт-ч. При этом увеличились интервалы между выемками поршней, ремонтами и техобслуживаниями. Число операций по обслуживанию дизеля М43 снижено на 40% по сравнению с предшествующей моделью.

10 Повышение давления впрыска с целью сокращения продолжительности впрыска топлива

Анализ многочисленных исследований, выполненных дизелестроительными фирмами за последние годы, показывает, что одним из главных мероприятий повышения экономичности дизелей является сокращение продолжительности процесса сгорания топлива. Это подтверждает и анализ индикаторных диаграмм двигателей. Продолжительность сгорания существенно зависит от длительности процесса впрыска топлива, стремление к сокращению которой ведет к необходимости увеличения максимального давления впрыска.

Исследования показали, что уменьшение диаметра капель топлива с 21 до 13 мкм происходит при изменении давления впрыска от 30 до ПО МПа. Дальнейшее увеличение давления впрыска благотворно влияет на экономичность дизеля через сокращение продолжительности впрыска топлива.

Многие фирмы (МаК, MTU, MAN B& W и др.) утверждают, что продолжительность впрыска не должна превосходить 30° ПКВ. О значительном влиянии на экономические показатели дизелей максимального и среднего давления впрыска топлива, а также об устойчивой тенденции увеличения давления впрыска на всех новых и модернизированных дизелях свидетельствуют многочисленные публикации. Обобщая полученные из публикаций данные, можно отметить, что для снижения удельного эффективного расхода топлива на 2 г/кВтч необходимо повысить максимальное давление впрыска на 6-7, 5 МПа, а среднее - на 7, 5-10, 5 МПа.

Повышение давления впрыска и скорости плунжера ТНВД потребовало конструктивного совершенствования деталей привода ТНВД и насос -форсунки. Основные мероприятия в этом направлении:

• увеличение диаметра начальной окружности кулачка;

• увеличение несущей поверхности кулачка;

• усиление распределительного вала;

• повышение жесткости коромысел насос - форсунок;

• установка демпферов крутильных колебаний на распредвалах;

• повышение прочности ТНВД, плотности сочленения деталей;

• уменьшения зазора в плунжерной паре и переход на моноблочную конструкцию ТНВД.

11 Повышение аэродинамической эффективности каналов газообмена

Расширение использования турбонаддува на современных транспортных дизелях, повышение давления наддува, работы по созданию турбокомпаундных и адиабатных дизелей потребовали обратить особое внимание на профилирование впускных и выпускных каналов. Геометрическое профилирование поверхностей проточной части каналов газообмена ДВС с использованием ЭВМ позволило снизить потери на газообмен и повысить механический кпд и коэффициент наполнения цилиндра.

12 Увеличение отношения S/D в четырехтактных судовых СОД

С увеличением отношения до S/D 1, 4-1, 7 потери на трение уменьшаются, а механический КПД возрастает примерно на 1, 5-3, 0%; индикаторный КПД Т], также увеличивается. Даже умеренное увеличение отношения S/D до 1, 4-1, 5 в результате роста Рс и Тг приводит к снижению удельного расхода топлива ge на 7-12 г/кВтч.

Длинноходные судовые СОД выпускают следующие фирмы Японии: Akasaka (S/D = 1, 5-1, 96), Fuji (1, 47-1, 90), Hanshin (1, 53-2, 06), Niigata (1, 32-1, 82) и др. В Западной Европе: SEMT-Pielstick, Wartsila, MAN-B& W, MaK, GMT и др. (S/D = 1, 25-1, 41). Японские СОД имеют более высокие значения S/D, а европейские более высокое форсирование по р_е и с_пл.

13 Повышение механического КПД

Зарубежные и отечественные дизелестроительные фирмы стремятся увеличить механический КПД своих двигателей за счет:

• уменьшения числа поршневых колец на поршне;

• снижения частоты вращения коленчатого вала на номинальном режиме;

• уменьшения насосных потерь;

• улучшения свойств смазочных масел;

• доводки рабочих поверхностей поршней, колец и втулок цилиндров;

• оптимизации формы поршневых колец;

• применения молибденового покрытия рабочих поверхностей колец и др.

14 Использование топливных присадок

В дизельных топливах для предотвращения образования отложений на распылителях форсунок используют антинагарные присадки. Антинагарными свойствами обладают практически все присадки, улучшающие процессы воспламенения и горения топлива. Лучшие из них способны уменьшать нагарообразование при использовании в дизельном топливе на три порядка, что позволяет сберечь 1-3% топлива при увеличении КПД дизеля на 2-4%.

Присадки различного назначения могут внести существенный вклад в экономию горюче-смазочных материалов. Степень эффекта зависит не только от типа присадки, но и от условий ее применения, а также от технического состояния двигателя. На практике можно получить 1-5%-ную экономию топлива. С экономической точки зрения применение присадок весьма выгодно. Их стоимость составляет обычно менее 1% от стоимости топлива, а экономический эффект в 3-4 раза превосходит затраты на присадку.

Анализ влияния добавки водорода к дизельному топливу на индикаторный КПД показывает, что происходит интенсификация процесса сгорания.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 7 8 9 101112 Следующая ⇒