Влияние профиля днища камеры сгорания в дизеле на распределение температуры горящей смеси

Введение. Повышение литровой мощности транспортных дизелей сопровождается ростом тепловой нагруженности элементов внутрицилиндрового пространства, в частности распылителя топливной форсунки. Температура распылителя в значительной степени зависит от интенсивности теплообмена газового потока горящей смеси с выступающей частью его корпуса [1]. Интенсивность теплообмена определяется скоростью, направлением и температурой газового потока. В открытых камерах сгорания с осевым вихревым движением рабочего тела корпус распылителя подвержен непосредственному воздействию горящей газовой смеси.

Для снижения тепловой нагруженности распылителя в этих условиях целесообразно ослабить непосредственное воздействие высокотемпературного газового потока. Использование в этих целях специального выступа на днище камеры сгорания, отклоняющего газовый поток от выступающей части корпуса распылителя, впервые предложено профессором Б.Н. Семеновым в ЦНИДИ, который получил патент на конструкцию такой камеры сгорания и исследовал ее при работе на дизеле малой размерности [2].

Важнейшей особенностью газодинамической обстановки в этой камере сгорания является направленный характер газового потока. Для этого выступ со специальным профилем отклоняет газовый поток в периферийные области камеры сгорания и придает ему торообразное движение. В этой связи необходима оценка температурного состояния рабочего тела в объеме камеры сгорания, определяющего параметры теплообмена с выступающей частью корпуса распылителя.

Особенности методики исследования. Характерным представителем полуразделенных камер сгорания является открытая камера, конструкция и размещение в поршне которой, а также особенности движения воздуха в ней при перемещении поршня от НМТ к ВМТ представлены на рис. 1. Отсутствие зауженной горловины обеспечивает преобладание осевой составляющей вихревого движения воздуха в камере сгорания, выражающееся в образовании так называемого осевого воздушного вихря.

Анализ температурного состояния рабочего тела в цилиндре и камере сгорания дизеля осуществлялся с использованием технологии CFD, реализованной в программном комплексе FIRE фирмы AVL (Австрия, г. Грац) и обладающей широк и ми возможностями для трехмерного моделирования динамических процессов в топливной струе и рабочем газе методом конечны х объемов. Программный комплекс используется в учебных и н аучных целях в соот в етствии со специальным соглашением о творческом сотрудничестве между фирмой AVL и ЮУрГУ.

Винтовой впускной канал

Головка блока

Впускной клапан

Днище поршня

Открытая камера сгорания

Топливная форсунк а

Огневая п оверхность головки блока

Распылитель топливной форсунки

Гильза цилиндра

Осевой воздушный вихрь

Рис. 1. Элементы, образующие внутрицилиндровое пространство, и траектория движения воздуха в открытой камере сгорания дизеля камеры сгорания ЦНИДИ при впрыскивании

В статье рассмотрено изменение температурного состояния рабочего тела в цилиндре и камере сгорания в зависимости от угла поворота колен ч атого вала дизеля 4ЧН13/15, работающего в режиме номинальной мощности при значениях среднего эффективного давления Р_е = 1,34 МПа и частоты вращения коленчатого вала n = 2100 мин –1 . В этих целях составлены пространственные конечно-объемные модели сегментов камер сгорани я внутри цилиндра ди з еля, фрагменты которых представлены на рис. 2. С учетом равномерно р а сположенных по окружности восьми распы-ливающих отверстий распылителя топливной форсунки угол сегмента конечно-объемной модели в плоскости днища поршня составляет 45 град.

а)

б)

Рис. 2. Фрагменты пространственных конечно-объемных моделей сегментов камер сгорания внутри цилиндра дизеля: а – открытая камера сгорания; б – камера сгорания с отклоняющим выступом

Состояние рабочего тела в цилиндре и камере сгорания дизеля оценивалось преимущественно в процессах сжатия, впрыскивания топлива, смесеобразования, сгорания и совмещенного с последними расширения. Анализ температурного со с тояния рабочего тела выполнялс я в плоскости, близкой к плоскости оси топливной струи в про ц ессе ее развития.

Результаты расчетного анализа. Температурное состояние рабочего т е ла в камер а х сгорания представлено в совмещенном виде с индикаторной диаграммой давления Р газов в цилиндре дизеля на рис. 3. Здесь же приведена зависимость усредненной по объему внутрицилиндрового пространства температуры Т газа в функции от угла по в орота коленчатого вала α.

Рассмотрим температурное состояние газовой среды в открытой камере сгорания дизеля. При перемещении поршня к ВМТ в процессе сжатия давление и температур а рабочего тела растут, причем распределение температуры по объему внутрицилиндрового пространства, включая объем камеры сгорания, относительно равномерное. Положение поршня на сл а йде 1 соответствует углу поворота коленчатого вала 300 град ПКВ. При перемещении поршня к В МТ (слайды 2 и 3) температура рабочего тела возрастает, сохраняя относительно равномерное распределение ее по объему внутрицилиндрового пространства.

Положение поршня на слайде 2 совмещено с продолжающимся впрыскиванием топлива, на слайде видно истечение топливной струи из распыливающего отверстия распылителя топливной форсунки. После впрыскивания топлива происходит самовоспламенение и начало выгорания топливных паров. Температурное состояние рабочего тела характеризуется появлением л о кальной (очаговой) области с повышенной (до 1900–2200 К) температурой (слайд 3).

Рис. 3. Изменение давления, температуры в цилиндре и температурное состояние смеси в камерах сгорания в зависимости от угла поворота коленчатого вала дизеля ( Р е = 1,34 МПа, n = 2100 мин^–1)

По мере распада топливной струи и развития процесса ее выгорания очаговая область повышенной температуры трансформируется, приобретая серповидную форму, и развивае т ся вдоль вертикальной стенки (слайд 4) под действием слабой р адиальной составляющей вихре в ого движения рабочего тела, направленного внутрь камеры сгорания. При дальнейшем перемещении поршня (слайд 5) температура очаговой области продолжает непрерывно расти и достигает максимального значения на поверхности вертикальной стенки камеры сгорания. Затем очаговая область распространяется в увеличивающимся надпорш н евом зазоре между днищем поршня и поверхностью головки блока. При дальнейшем движени и поршня к НМТ область повышенной температуры достигает внутренней поверхности гильзы ц и линдра.

Интересно проследить развитие топливной струи и изменение газодинам и ческой обстановки в камере сгорания в процессе впрыскивания топлива, продолжительность которого на режиме номинальной мощности исследуемого дизеля составл я ет 30 град ПКВ (рис. 4 , а). Для более различимой визуализации процесса развития топливной струи при впрыскиван и и размер капель топлива на приведенных слайдах условно увеличен в 10 раз.

Через 8 градусов ПКВ после начала впрыскивания (слайд 1) струя топлива проходит почти половину расстояния до вертикальной поверхности камеры сгорания в поршне. Затем струя топ- лива начинает распадаться на отдельные капельки, интенсивно прогреваясь и испаряясь (слайд 2). Нагретые пары топлива образуют след области повышенной температуры в объеме камеры сгорания с образованием зарождающегося высокотемпературного очага (слайд 3).

ф = 8 град пкв ср — 14 град ' ПКВ ср = 20 град ' ПКВ ф = 26 град ПКВ

Ф = 32 град ПКВ ф = 38 град ' ПКВ

Tempei atuie, К

Temperature. К

а)

Рис. 4. Изменение температурного состояния рабочего тела в камерах сгорания в зависимости от угла поворота коленчатого вала дизеля за период впрыскивания топлива: а – открытая камера сгорания; б – камера сгорания с отклоняющим выступом ( Р е = 1,34 МПа, n = 2100 мин^–1)

Продолжающийся распад все возобновляемой топливной струи, вследствие поступления новых порций топлива из распыливающего отверстия, увеличивает объем паровой фазы топлива, охватываемый областью повышенной температуры. При движении поршн я к НМТ вдоль вертикальной стенки камеры сгорания наблюдается уве л ичение очагового пов ы шения температуры (слайд 5). К моменту окончания процесса впрыскивания топлива высокотемпературная область расширяется вдоль надпоршневого зазора к поверхности гильзы цилиндра, одновременно опускаясь вглубь камеры сгорания и охватывая ее днище ( слайд 6).

На рис. 4, б видно, что топливная струя в камере сгорания с отклоняющим выступом на днище развивается аналогично таковой в открытой камере (слайды 1–4). Замечено, что движение воздушного вихря оказывает несущественное влияние на развитие топливной струи при впрыскивании топлива, лишь незначительно отклоняя ее вглубь камеры сгорания.

Несколько иная картина температурного состояния газовой среды наблюдается в камере сгорания с отклоняющим выступом после появления высокотемпературного очага. Зона повышенной температуры газового потока, истекающего из камеры сгорания и отклоняющегося выступом на ее днище, отжимается в периферийные области к вертикальной стенке камеры (слайд 5). При этом область повышенной температуры в районе огневого днища головки блока перемещается от оси цилиндра в сторону гильзы (слайд 6), снижая таким образом температуру газового потока, омывающего выступающую часть корпуса распылителя. Снижение температуры газового потока в районе распылителя составляет 85–90 °С.

Выводы. В результате проведенного исследования установлено, что:

• –    формирование и особенно развитие области с повышенной температурой рабочего тела находятся в тесной зависимости от направления газового потока;

• –    область повышенной температуры рабочего тела концентрируется в районе вертикальной стенки камеры сгорания, что интенсифицирует процесс теплообмена в этой зоне поршня;

• –    распределение температур внутри камеры сгорания определяется характером движения газового потока;

• –    размещение отклоняющего выступа на днище камеры сгорания позволяет направить газовый поток в периферийные зоны и снизить его температуру в области размещения распылителя на 85–90 °С.

Представленная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках программы развития Южно-Уральского государственного университета на 2010–2019 годы по направлению «Современные технологии компьютерного моделирования рабочих процессов и проектирования основных механизмов и систем в дизелестроении» госконтракт № 11-0520-НИУ от 22.06.2011 г., методической и научной поддержке фирмы AVL (г. Грац, Австрия) (Agreement for Use of Simulation Software AVL BOOST, AVL CRUISE, AVL EXCITE and AVL FIRE between SUSU (Chelyabinsk, Russia) and AVL LIST GmbH (Graz, Austria).