Проектирование трехцилиндрового дизельного двигателя
|
Аннотация
Введение 4
1 Исследования перспектив использования газодизельных
альтернативных топлив в малолитражных дизельных двигателях 6
1.1 Смесеобразование в дизельных двигателях 6
1.2 Системы впрыска топлива для дизельных двигателей 14
1.3 Спирты как топливо для дизельных двигателей 17
2 Тепловой расчет проектируемого двигателя 25
2.1 Тепловой расчет трёхцилиндрового двигателя при работе на
дизельном топливе 25
2.2 Тепловой расчет трехцилиндрового двигателя на газодизельном
топливе 30
3 Кинематический и динамический расчет кривошипно-шатунного
механизма двигателя 36
3.1 Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма
двигателя 36
3.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма
двигателя 38
4 Анализ токсичности отработавших газов и эффективных
показателей для трехцилиндрового газодизельного двигателя, полученных на виртуальной модели 44
Заключение 60
Список используемых источников 62
Введение 4
1 Исследования перспектив использования газодизельных
альтернативных топлив в малолитражных дизельных двигателях 6
1.1 Смесеобразование в дизельных двигателях 6
1.2 Системы впрыска топлива для дизельных двигателей 14
1.3 Спирты как топливо для дизельных двигателей 17
2 Тепловой расчет проектируемого двигателя 25
2.1 Тепловой расчет трёхцилиндрового двигателя при работе на
дизельном топливе 25
2.2 Тепловой расчет трехцилиндрового двигателя на газодизельном
топливе 30
3 Кинематический и динамический расчет кривошипно-шатунного
механизма двигателя 36
3.1 Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма
двигателя 36
3.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма
двигателя 38
4 Анализ токсичности отработавших газов и эффективных
показателей для трехцилиндрового газодизельного двигателя, полученных на виртуальной модели 44
Заключение 60
Список используемых источников 62
Дизельные двигатели работают с внутренним смешением. В конце такта сжатия в области воспламенения жидкое топливо впрыскивается в сильно сжатый воздух. Сразу после попадания топливных капель, средний диаметр сотейника которых (в зависимости от давления и расстояния измерения) примерно находится между 5 и 15 мкм (первичный распад), начинается физическая и химическая подготовка воспламеняющейся воздушно-топливной смеси. Процессы испарения топлива, смешивания с воздухом и последующего воспламенения и последующее сгорание происходит параллельно. Целью образования смеси, с одной стороны, является как можно более быстрое воспламенение воздушно-топливной смеси, а с другой - как можно более полное сжигание всего впрыснутого количества топлива, избегая высоких пиковых температур сгорания. При соблюдении этих двух основных условий сгорание в значительной степени с низким содержанием загрязняющих веществ, избегая при этом более экстремальных скачков давления и, следовательно, высокий шум сгорания и высокую механическую и тепловую нагрузки.
Воздушно-топливная смесь в камере сгорания сильно различается локально и по времени, то есть неоднородна. Так называемое местное соотношение воздуха в камере сгорания колеблется от 0 до бесконечности (зоны чистого воздуха). Глобальное соотношение воздуха, то есть отношение фактической массы воздуха, находящегося в камере сгорания, к массе воздуха, необходимой для полного сгорания впрыснутого топлива, колеблется от примерно 1,1 до 7 на практически работающих дизельных двигателях. Для образования смеси в дизельном двигателе доступно только чрезвычайно короткое время. Если предположить, что время впрыска топлива составляет около 36°, то при скорости вращения, например, 4000 мин-1 доступно только время 1,5 мс. Для сравнения, для обычного бензинового двигателя с впрыском впускной трубы при сопоставимых оборотах время перемешивания составляет около 15 мс. Опять же, время от начала впрыска до первого воспламенения воздушно-топливной смеси значительно короче. Это называется задержкой зажигания. Время составляет от 0,3 до 2 мс. Она сильно зависит от условий температуры и давления в камере сгорания и качества распыления топлива. После первого воспламенения дальнейшее смешивание еще несгоревших углеводородов с существующим кислородом воздуха ускоряется начавшимся горением и сопровождающим его повышением температуры, а также возникающей турбулентностью. Энергия, необходимая для образования смеси, поступает либо из системы впрыска, либо из движения воздуха и из самого начинающегося сгорания. Сжигание вносит основную энергию для образования смеси в основной камере сгорания. При этом к системе впрыска предъявляются низкие требования; в зависимости от процесса вспомогательной камеры движение воздуха задействовано по-разному. В методах прямого впрыска, используемых сегодня, без разделенной камеры сгорания, система впрыска обеспечивает основной энергетический вклад. У двигателя с большим распределением оборотов или системы впрыска со сравнительно низким давлением управляют воздуховодом таким образом, чтобы в камере сгорания возникал вихрь, поддерживающий образование смеси. Чем выше доля движения воздуха в образовании смеси, тем ниже может быть давление впрыска. Однако при этом следует иметь в виду, что выработка воздушного барабана происходит с повышенными потерями, связанные с заменой груза. Поэтому впрыск топлива в камеру сгорания является центральным для образования смеси в дизельном двигателе. В этом, помимо других функций, существенную роль играет давления впрыска.
Поэтому мы будем исследовать новые виды альтернативных топлив для дизельного двигателя, в данном случае газодизельный цикл, как наиболее перспективное развитие дизельных технологий.
Воздушно-топливная смесь в камере сгорания сильно различается локально и по времени, то есть неоднородна. Так называемое местное соотношение воздуха в камере сгорания колеблется от 0 до бесконечности (зоны чистого воздуха). Глобальное соотношение воздуха, то есть отношение фактической массы воздуха, находящегося в камере сгорания, к массе воздуха, необходимой для полного сгорания впрыснутого топлива, колеблется от примерно 1,1 до 7 на практически работающих дизельных двигателях. Для образования смеси в дизельном двигателе доступно только чрезвычайно короткое время. Если предположить, что время впрыска топлива составляет около 36°, то при скорости вращения, например, 4000 мин-1 доступно только время 1,5 мс. Для сравнения, для обычного бензинового двигателя с впрыском впускной трубы при сопоставимых оборотах время перемешивания составляет около 15 мс. Опять же, время от начала впрыска до первого воспламенения воздушно-топливной смеси значительно короче. Это называется задержкой зажигания. Время составляет от 0,3 до 2 мс. Она сильно зависит от условий температуры и давления в камере сгорания и качества распыления топлива. После первого воспламенения дальнейшее смешивание еще несгоревших углеводородов с существующим кислородом воздуха ускоряется начавшимся горением и сопровождающим его повышением температуры, а также возникающей турбулентностью. Энергия, необходимая для образования смеси, поступает либо из системы впрыска, либо из движения воздуха и из самого начинающегося сгорания. Сжигание вносит основную энергию для образования смеси в основной камере сгорания. При этом к системе впрыска предъявляются низкие требования; в зависимости от процесса вспомогательной камеры движение воздуха задействовано по-разному. В методах прямого впрыска, используемых сегодня, без разделенной камеры сгорания, система впрыска обеспечивает основной энергетический вклад. У двигателя с большим распределением оборотов или системы впрыска со сравнительно низким давлением управляют воздуховодом таким образом, чтобы в камере сгорания возникал вихрь, поддерживающий образование смеси. Чем выше доля движения воздуха в образовании смеси, тем ниже может быть давление впрыска. Однако при этом следует иметь в виду, что выработка воздушного барабана происходит с повышенными потерями, связанные с заменой груза. Поэтому впрыск топлива в камеру сгорания является центральным для образования смеси в дизельном двигателе. В этом, помимо других функций, существенную роль играет давления впрыска.
Поэтому мы будем исследовать новые виды альтернативных топлив для дизельного двигателя, в данном случае газодизельный цикл, как наиболее перспективное развитие дизельных технологий.
В бакалаврской работе проведен анализ рабочего процесса газодизельного цикла в трехцилиндровом двигателе. Получены основные выводы по работе:
1. Поиск новых топлив с лучшими характеристиками по токсичности для дизельных двигателей при их доступности по цене и объемам производства является важной задачей современных исследований. К таким топливам можно смело отнести компримированный природный газ, подаваемый во впускной коллектор, который может успешно сгорать при впрыске в конце такта сжатия запальной дозы дизельного топлива. Анализ процесса сгорания альтернативного газодизельного топлива и проведен в данной работе на примере трехцилиндрового дизельного двигателя.
2. Представленные результаты наглядно показывают, что при обеднении смеси и увеличении доли дизельного топлива концентрация оксидов азота значительно увеличивается, что говорит о целесообразности на большинстве режимов пытаться поддерживать стехиометрический состав смеси, а только на режимах низких нагрузок уходить сразу в бедную смесь около 1,8 и ниже для обеспечения низкотоксичного режима работы двигателя. Также видим, что с обеднением смеси растет эффективный КПД цикла.
Выводы по первому разделу
В приведенном выше обзоре литературы представлена перспективные подходы применяемы при проектировании современных дизельных двигателей. Современные подходы показали, что дальнейшее улучшение экологических характеристик невозможно без применения новых топлив, как показывает практика к таким в настоящее время относя газодизельный цикл с подачей сжатого природного газа во впускной трубопровод и впрыскиванием запальной части дизельного топлива непосредственно перед началом процесса сгорания в конце такта сжатия.
Выводы по второму разделу
Проведенные расчеты трёхцилиндрового дизельного двигателя на газодизельном топливе и на дизельном топливе, показали некоторое снижение эффективных показателей работы двигателя при переходе с дизельного топлива на альтернативное топливо - газодизель.
Выводы по 3-му разделу
Переход на альтернативное топливо, двухтопливная работа двигателя, КПГ подается во впускной трубопровод, а воспламеняется запальной дозой дизельного топлива - такой цикл позволяет значительно снизить нагрузки на кривошипно-шатунный механизм.
Выводы по 4-му разделу
В ходе стационарного моделирования концепция газодизельного цикла была оптимизирована для достижения наилучших характеристик и эффективности с учетом реальных ограничений, таких как температура и давление в камере сгорания, и т. д. В результате была получена полная скоростная характеристика двигателя. Представленные результаты наглядно показывают, что при обеднении смеси и увеличении доли дизельного топлива концентрация оксидов азота значительно увеличивается, что говорит о целесообразности на большинстве режимов пытаться поддерживать стехиометрический состав смеси, а только на режимах низких нагрузок уходить сразу в бедную смесь около 1,8 и ниже для обеспечения низкотоксичного режима работы двигателя. Также видим, что с обеднением смеси растет эффективный КПД цикла.
1. Поиск новых топлив с лучшими характеристиками по токсичности для дизельных двигателей при их доступности по цене и объемам производства является важной задачей современных исследований. К таким топливам можно смело отнести компримированный природный газ, подаваемый во впускной коллектор, который может успешно сгорать при впрыске в конце такта сжатия запальной дозы дизельного топлива. Анализ процесса сгорания альтернативного газодизельного топлива и проведен в данной работе на примере трехцилиндрового дизельного двигателя.
2. Представленные результаты наглядно показывают, что при обеднении смеси и увеличении доли дизельного топлива концентрация оксидов азота значительно увеличивается, что говорит о целесообразности на большинстве режимов пытаться поддерживать стехиометрический состав смеси, а только на режимах низких нагрузок уходить сразу в бедную смесь около 1,8 и ниже для обеспечения низкотоксичного режима работы двигателя. Также видим, что с обеднением смеси растет эффективный КПД цикла.
Выводы по первому разделу
В приведенном выше обзоре литературы представлена перспективные подходы применяемы при проектировании современных дизельных двигателей. Современные подходы показали, что дальнейшее улучшение экологических характеристик невозможно без применения новых топлив, как показывает практика к таким в настоящее время относя газодизельный цикл с подачей сжатого природного газа во впускной трубопровод и впрыскиванием запальной части дизельного топлива непосредственно перед началом процесса сгорания в конце такта сжатия.
Выводы по второму разделу
Проведенные расчеты трёхцилиндрового дизельного двигателя на газодизельном топливе и на дизельном топливе, показали некоторое снижение эффективных показателей работы двигателя при переходе с дизельного топлива на альтернативное топливо - газодизель.
Выводы по 3-му разделу
Переход на альтернативное топливо, двухтопливная работа двигателя, КПГ подается во впускной трубопровод, а воспламеняется запальной дозой дизельного топлива - такой цикл позволяет значительно снизить нагрузки на кривошипно-шатунный механизм.
Выводы по 4-му разделу
В ходе стационарного моделирования концепция газодизельного цикла была оптимизирована для достижения наилучших характеристик и эффективности с учетом реальных ограничений, таких как температура и давление в камере сгорания, и т. д. В результате была получена полная скоростная характеристика двигателя. Представленные результаты наглядно показывают, что при обеднении смеси и увеличении доли дизельного топлива концентрация оксидов азота значительно увеличивается, что говорит о целесообразности на большинстве режимов пытаться поддерживать стехиометрический состав смеси, а только на режимах низких нагрузок уходить сразу в бедную смесь около 1,8 и ниже для обеспечения низкотоксичного режима работы двигателя. Также видим, что с обеднением смеси растет эффективный КПД цикла.
