Бензиновые и дизельные двигатели — пример использования пульсирующих процессов сгорания [116—119]. Они сходны по основной концепции. Главное различие между ними состоит в том, что искровое зажигание инициирует сгорание при постоянном объеме в бензиновом двигателе, в то время как высокое давление обеспечивает автоматическое зажигание, за которым следует сгорание при постоянном давлении в дизельном двигателе. На рис. 1.25 показана схема блока цилиндр — поршень бензинового двигателя, а в нижней части рис. 1.26 приведены четыре такта цикла Отто и проведено сравнение с газотурбинным двигателем, работающим по циклу Брайтона.
Рассмотрим сначала работу бензинового двигателя с четырехтактным циклом Отто.
1. Ход впуска (или всасывания). Поршень движется вниз, впускной клапан открыт, топливно-воздушная смесь засасывается в цилиндр из карбюратора.
Рис. 1.25. Схема бензинового двигателя с искровым зажиганием [116]
Рис. 1.26. Сравнение рабочих циклов поршневого двигателя и турбореактивного двигателя [135].
Рис. 1.27. Схема двигателя со стратифицированным зарядом:
а — расположение инжектора и свечи зажигания в двигателе стратифицированного заряда; б—используемый в двигателе стратифицированного заряда поршень с выемкой. создающей движение «хлюпанья» [117]:
1 — свеча зажигания; 2 — форсунка; 3 — горючая смесь; 4 — направление закрутки воздуха; S — камера сгорания.
- Ход сжатия. Смесь сжимается и адиабатически нагревается, впускной клапан закрыт. Непосредственно перед достижением поршнем верхней мертвой точки высоковольтная свеча инициирует воспламенение, и сгорание практически завершается до того, как поршень сместится на существенное расстояние вниз. Это сгорание при постоянном объеме.
- Рабочий ход. Горячий газ высокого давления толкает поршень вниз, преобразуя в механическую энергию часть химической энергии топлива.
- Ход выхлопа. Поршень движется вверх, выпускной клапан открыт, выхлопные газы выталкиваются из цилиндра.
Целесообразно вспомнить некоторые элементарные требования к процессу: при работе двигателя должна отсутствовать детонация; должно происходить уверенное зажигание от искры; следует добиваться уменьшения теплопереноса; в любых условиях топливо должно сгорать полностью. Во время хода всасывания устанавливается вихревая структура течения, это происходит, когда поршень движется вниз и открыт только впускной клапан. Такое вращательное вихревое движение сохраняется на протяжении остальных ходов четырехтактного цикла. Для определения влияния формы границ, положения свечи зажигания и выделяющейся на свече энергии, свойств топлива и температуры стенки на воспламенение, изменения диаграммы давление — объем — время (индикаторной диаграммы) и состава выхлопных газов конструктор должен привлекать и теорию, и эксперимент. Прошлое, настоящее и будущее бензиновых двигателей, проблемы эмиссии загрязняющих веществ и их решения обсуждаются в работах [118—119].
В двигателях, получивших название двигателей со стратифицированным зарядом, одновременно используется движение закрутки и всасывающе выталкивающего движения — «хлюпания», и они позволяют решать одновременно две проблемы: уменьшения эмиссии загрязняющих веществ и повышения КПД. Схема такого двигателя показана на рис. 1.27, где изображены цилиндр и поршень (снабженный выемкой для того, чтобы создавать «хлюпание»). Устройство этого двигателя таково, что вблизи свечи зажигания отношение топливо/воздух гораздо выше, чем в остальной части камеры сгорания. Сгорание становится «мягким», поскольку воздух вдали от свечи действует как подушка. Возможна работа двигателя при значениях отношения топливо/воздух гораздо ниже рабочего предела (устанавливаемого из условий воспламеняемости) обычных двигателей, и возможность такого отклонения позволяет добиться экономичности. Далее, мощность управляется лишь расходом топлива, а не малоэкономичным методом дросселирования, как в обычном двигателе, когда двигатель работает сам против себя. Двигатель со стратифицированным зарядом всегда работает при полностью открытом дросселе, управление осуществляется ограничением расхода топлива. Высокое давление ускоряет испарение топлива, которое непосредственно вдувается в головку цилиндра. Закрученный воздух смешивается с топливом и проносит смесь мимо свечи зажигания. Область горения локализуется, и в ней содержится богатая смесь с хорошей воспламеняемостью, а в среднем смесь остается бедной. В верхней части некоторых поршней делается чашеобразная выемка, как показано на рис. 1.27, которая создает направленное к центру течение на заключительных стадиях хода сжатия— именно это явление иногда называют «хлюпаньем». В работе [118] подробно описано прошлое, настоящее и будущее процесса сгорания в бензиновых двигателях, включая обсуждение закрутки и «хлюпающего» движения воздуха, и влияние этих явлений на конструкцию камеры сгорания. В число обсуждаемых вариантов входят камера сгорания Рикардо в форме ванны, камера сгорания с чашеобразной выемкой в портье Херона и высокотурбулентная камера сгорания с высокой степенью сжатия Мэя. Возможности конструкции со стратифицированным зарядом интерпретируются с точки зрения закрутки, «хлюпанья» и вихрей для различных систем зажигания: Рикардо, Honda CVCC, MAN FM и Ford PROCO. Применение двигателей со стратифицированным зарядом для управления образованием загрязняющих вешеств в двигателях с искровым зажиганием подробно обсуждено в работе [119], включая использование открытой камеры (Ford PROCO и Texaco TCCS) и разделенную камеру (малая предкамера Honda и другие предкамерные концепции). В гл. 6 обсуждены другие работы, где рассмотрены различные технические системы сгорания
В четырехтактном дизельном двигателе химическая энергия топлива частично переходит в механическую в четырехфазном процессе, аналогичном процессу в двигателе с искровым зажиганием, но в нем нет свечи — зажигание достигается автоматически в результате сильного сжатия. Выделяют следующие четыре фазы:
- Ход впуска. Воздух поступает через впускной клапан и заполняет цилиндр двигателя.
- Ход сжатия и начала сгорания. Содержащийся в цилиндре воздух сжимается до высокого давления, и, когда поршень приближается к верхней мертвой точке, в камеру сгорания через систему быстрой подачи под давлением впрыскивается топливо.
- Ход сгорания (рабочий ход или ход расширения). Инициированное сжатием горение, начавшееся непосредственно перед достижением поршнем верхней мертвой точки, продолжается в течение некоторого времени после прохождения верхней мертвой точки, в результате чего поддерживается высокое давление. Это процесс сгорания при постоянном давлении. Поршень смешается дальше вниз, давление и температура понижаются.
- Ход выхлопа. Продукты сгорания (плюс избыток воздуха или топлива) выбрасываются через выхлопной (выпускной) клапан.
Здесь сильное сжатие должно обеспечивать мягкое зажигание, должен использоваться весь имеющийся кислород, следует добиваться уменьшения теплоотдачи и снижения мощности насосов подачи топлива, а также уменьшения задымленности выхлопа. Потоку на входе стараются придать закрутку относительно центральной оси цилиндра, выемка в поршне создает также явление, называемое «хлюпаньем», при приближении поршня к верхней части цилиндра. Тогда радиальная протяженность объема закрученного потока внезапно уменьшается и принцип сохранения момента количества движения приводит к сильному увеличению окружной скорости, увеличивая интенсивность турбулентности и смешения. Исследования направлены на получение данных о влиянии формы границ камеры, движения впускаемого воздуха, характеристик форсунки подачи топлива и свойств топлива на задержку воспламенения, зависимость от времени давления и объема, теплопередачу к поршню и образование дыма.
В работе (120) содержится обсуждение применения закрутки воздуха и создания движения «хлюпанья» при организации сгорания в дизелях. Эти концепции используются также в двигателях со стратифицированным зарядом, относящихся к бензиновым двигателям. Информация по этим двигателям содержится также в гл. 6.
Рассмотрим теперь, какие теоретические подходы могут помочь в оптимизации конструкции и при разработке двигателей. Возрастающие требования как к увеличению термического КПД, так и к снижению выброса загрязняющих веществ стимулируют развитие более совершенных методов анализа аэротермодинамики η двигателях внутреннего сгорания. Наиболее общий подход состоит в расчете всего поля течения между верхней частью цилиндра и поверхностью поршня и представлении его как функции трех пространственных координат и времени для всего четырехтактного цикла — для ходов впуска, сжатия, рабочего и выхлопного — с соответствующим открытием и закрытием впускного и выпускного клапанов В бензиновом двигателе искровое зажигание инициирует сгорание сжатой газообразной смеси в начале рабочего хода; в дизельном двигателе воспламенение аэрозоли капель топлива осуществляется за счет сильного сжатия, достигаемого при ходе сжатия; моделирование этого процесса представляет собой наиболее трудную задачу. В обоих случаях основные усилия направлены на применение численных методов решения задач гидродинамики для анализа и понимания сложных структур течения в поршневых двигателях и для последующего использования при их конструировании и доводке.
Имеется большое число работ [121—131], в которых обсуждаются проблемы прямого численного расчета многомерных течений с химическими реакциями в двигателях внутреннего сгорания. До последнего времени большинство молелен двигателей внутреннего сгорания были термодинамическими моделями— камера сгорания рассматривалась как контрольный объем, движением жидкости в нем пренебрегали и задавались скоростью выделения энергии [121—124]. Многие из таких подходов были успешными. Тем не менее интерес к подходам, отличным от нуль мерного, связан с необходимостью понимания и решения проблем сегодняшнего дня, в частности при создании двигателей и со стратифицированным зарядом. Для этого требуется развитие пространственных моделей течения. Обширный обзор литературы по методам численного моделирования процессов в двигателях внутреннего сгорания можно найти, например, в работах [125, 126]. Для анализа процессов в двигателях с обычным циклом Отто, в двигателях Ванкеля (роторных) и со стратифицированным зарядом применялись одномерные нестационарные методы моделирования [127— 131].
В них обычно использовались модели турбулентности с алгебраическими уравнениями, рассматривалось сгорание в газовой фазе и использовалась общая формулировка химической кинетики, однако в некоторых работах рассматривался двухфазный процесс сгорания капель [132], а в последнее время получены также результаты двумерного расчета [133]. Проведены предварительные исследования подходов к решению полной задачи, включая численное решение двумерной задачи о нестационарном течении двухфазного потока с использованием предположения об испарении и проникновении топлива в инертный газ [133]. Были также предприняты попытки расчета двумерного нестационарного течения с горением в двигателе внутреннего сгорания с использованием модифицированной программы RICE, разработанной в Лос-Аламосской лаборатории [134]. Обсуждение более современных подходов содержится в гл. 6.
