Образование топливовоздушной смеси и процесс сгорания
По сравнению с бензиновыми двигателями, в дизелях происходит сгорание топлива с низкой испаряемостью (высокой температурой кипения), а процесс образования топливовоздушной смеси происходит не только в период задержки воспламенения, но также во время протекания процесса сгорания. В результате топливовоздушная смесь не является полностью гомогенной.
Рабочий процесс дизелей протекает при значениях коэффициента избытка воздуха (X) больше единицы, а при недостатке избыточного воздуха увеличиваются расход топлива и эмиссия частиц сажи, СО и СН.
Образование топливовоздушной смеси определяется следующими факторами:
- давлением впрыска;
- продолжительностью процесса впрыска;
- факелом распыливания топлива (числом сопловых отверстий, размером факелов распыливания, направлением струи топлива);
- углом опережения впрыска;
- структурой потока воздуха в камере с го рания;
- массой воздуха.
Указанные факторы оказывают влияние на эмиссию вредных веществ с ОГ и на расход топлива. Высокая температура с го рания и высокий уровень концентрации кислорода приводят к увеличению образования NOx. Увеличение эмиссии сажи, наоборот, происходит при недостатке кислорода и плохом перемешивании топлива с воздухом.
Измерения на двигателе
Положительный эффект на снижение эмиссии вредных веществ с ОГ дают правильный выбор формы камеры сгорания и впускного канала. Если газодинамическая структура потока в камере сгорания тщательно подобрана и соответствует форме факела распыливания топлива, то происходит эффективное перемешивание воздуха и топлива и, следовательно, полное сгорание впрыскиваемого топлива. Кроме того, положительный эффект достигается при гомогенном смешении воздуха с ОГ и охлаждении тракта рециркуляции ОГ. Двигатели с четырьмя клапанами на цилиндр и турбонаддув с регулируемой геометрией турбины (VTG - Variable-turbine geometry) также вносят свой вклад в снижение эмиссии вредных веществ и повышение мощности двигателя.
Рециркуляция отработавших газов (EGR)
Без системы рециркуляции ОГ эмиссия NOx оказывается выше установленных законодательных норм, в то время как эмиссия сажи оказывается в пределах, предусмотренных нормами. Рециркуляция ОГ (EGR - Exhaust-gas recircilation) - это метод снижения эмиссии NOx без существенного увеличения образования сажи в двигателе. Это обстоятельство может быть весьма эффективно применено в дизелях с аккумуляторной топливной системой CR благодаря прекрасной возможности достижения почти идеальной топливовоздушной смеси как результата высокого давления впрыска. В системе рециркуляции ОГ на режимах частичных нагрузок часть ОГ направляется во впускно^ коллектор. Это не только уменьшает содержание кислорода в камере сгорания, но также влияет на протекание процесса сгорания и снижает максимальную температуру во фронте пламени, в результате чего происходит снижение эмиссии NOx. Однако, при слишком большой степени рециркуляции, превышающей 40% от объема воздуха на впуске, происходит увеличение эмиссии сажи, СО, СН и увеличение расхода топлива из-за недостатка кислорода.
Влияние показателей впрыска топлива
На топливную экономичность и эмиссию вредных выбросов с ОГ дизеля оказывают существенное влияние величина угда опережения впрыска, характеристика впрыска^ (форма характеристики давления впрыска) и тонкость распыливания топлива.
Угол опережения впрыска
При небольших углах опережения впрыска, то есть при позднем впрыске, процесс сгорания протекает при низких температурах, что снижает эмиссию NOx, однако, если угол опережения впрыска слишком мал, то увеличиваются выброс углеводородов СН и расход топлива, как и эмиссия сажи на режимах больших нагрузок. При отклонении угла опережения впрыска от оптимального только на один градус п.к.в. эмиссия NOx может увеличиться на 5%. Отклонение угла на два градуса п.к.в. в сторону опережения впрыска может привести кувеличению максимального давления сгорания на 10 бар, а отклонение угла на два градуса п.к.в.
в сторону запаздывания приводит к увеличению температуры отработавших газов на 20°С. Такая высокая чувствительность требует очень точного регулирования угла опережения впрыска.
Характеристика давления впрыска
Кривая характеристики давления впрыска определяет изменение количества впрыскиваемого топлива в течение одного цикла (от начала впрыска, то есть от момента начала подъема иглы форсунки, до конца впрыска). Характеристика давления впрыска определяет также количество топлива, впрыскиваемого в период задержки воспламенения (от начала впрыска до начала процесса сгорания), а поскольку это оказывает влияние на распределение топлива по камере сгорания, то также влияет на эффективность использования воздуха в процессе сгорания.
Кривая характеристики давления впрыска должна иметь плавный подъем, для чего подача топлива в период задержки воспламенения должна быть сведена к минимуму.
Эта порция топлива моментально сгорает, как только начинается воспламенение, с сопутствующими негативными эффектами по шумности двигателя и эмиссии NOx. Кривая характеристики давления должна резко “ падать”, для того чтобы предотвратить плохое качество распыливания топлива, ведущее к увеличению эмиссии СН и сажи и увеличению расхода топлива в финальной фазе процесса сгорания.
Распыливание топлива
Тонкость распыливания топлива способствует эффективному перемешиванию воздуха с топливом, что обеспечивает снижение эмиссии углеводородов и сажи. Хорошее качество распыливания топлива обеспечивается высоким давлением впрыска и оптимальной геометрической конфигурацией сопловых отверстий в распылителе форсунки.
Чтобы предотвратить видимый выброс сажи с ОГ, количество впрыскиваемого топлива должно соответствовать расходу воздуха, что предусматривает количество избыточного воздуха, по крайней мере, на 10 - 40% (X = 1,1—1,4). Кактолько игла форсунки садится на седло, топливо в сопловых отверстиях может испаряться (в случае распылителей с подигольным объемом топливо испаряется в этом объеме), и эмиссия углеводородов СН в процессе увеличивается. Это означает, что такие вредные объемы должны быть сведены к минимуму.
